Les sujets de thèses

Dernière mise à jour : 20-11-2017

4 sujets IRFU

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• Astrophysique

 

Moteur central des explosions extrêmes : amplification du champ magnétique dans les proto-étoiles à neutrons

SL-DRF-18-0298

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service d'Astrophysique (SAp)

Laboratoire de Théorie et de Modélisation

Saclay

Contact :

Jérôme Guilet

Thierry FOGLIZZO

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

Jérôme Guilet

CEA - DRF/IRFU/SAp/LTM

01 69 08 04 37

Directeur de thèse :

Thierry FOGLIZZO

CEA - DRF/IRFU/SAp/LTM

01 69 08 87 20

Page perso : http://wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/~jguilet/

Labo : http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=1250

Voir aussi : http://irfu.cea.fr/Sap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_technique.php?id_ast=4201

L'effondrement du coeur de fer des étoiles massives donne lieu à certaines des explosions les plus violentes de l'univers. Le mécanisme physique à l'origine de ces explosions reste cependant mal compris et sa description théorique constitue un des grands défis de l'astrophysique actuelle. Les plus extrêmes de ces explosions, de par leur énergie cinétique ou leur luminosité, indiquent très probablement la présence d'une rotation rapide et d'un fort champ magnétique capable d'extraire efficacement ce grand réservoir d'énergie cinétique. Elles pourraient ainsi marquer la naissance des étoiles à neutrons les plus magnétisées, appelées magnétars, dont le champ magnétique dipolaire atteint les plus grandes intensités connues de 10^15 G. Cette thèse s'attaquera à une question majeure non-résolue : l'origine de ce champ magnétique extrême. Le processus considéré comme le plus probable est l'action d'une instabilité magnéto-hydrodynamique appelée instabilité magnéto-rotationnelle (ou MRI). Les simulations numériques d'une petite portion de l'étoile à neutrons en formation ont ainsi démontré une amplification efficace du champ magnétique (e.g. Guilet & Müller 2015). Cette thèse s'attachera à déterminer pour la première fois l'efficacité de génération d'un champ magnétique cohérent à l'échelle de l'étoile à neutrons dans son ensemble. Ceci est un aspect crucial à la fois pour le déclenchement de l'explosion et pour expliquer les propriétés des magnétars galactiques. Le travail de thèse consistera tout d'abord à développer des simulations numériques de l'ensemble de la proto-étoile à neutrons à l'aide du code MagIC. Ces simulations permettront d'étudier le développement de l'instabilité magnétorotationnelle et la génération d'un champ magnétique à grande échelle. Ces résultats seront ensuite utilisés pour développer une prescription analytique de l'amplification du champ magnétique utilisable dans un modèle de l'explosion dans sa globalité.

Physique des régions de formation stellaire géantes des galaxies primordiales : une synergie entre observations et simulations

SL-DRF-18-0323

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service d'Astrophysique (SAp)

Laboratoire de Cosmologie et d'Evolution des Galaxies (LCEG)

Saclay

Contact :

Emanuele DADDI

Frédéric BOURNAUD

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

Emanuele DADDI

CEA - DRF/IRFU/SAp

Directeur de thèse :

Frédéric BOURNAUD

CEA - DRF/IRFU/SAp/LCEG

01 69 08 55 08

La morphologie des galaxies de l’Univers distant, au pic de leur activité de formation stellaire (redshift z=1-

3), est très différente des galaxies spirales proches. Ces galaxies sont en général irrégulières, dominées par

des régions géantes ou « clumps » de formation stellaire. Ces « clumps » ont des tailles et masses de 100 à

1000 fois plus grandes que celles des nuages moléculaires et amas stellaires de notre Galaxie. Cette

propriété pourrait s’expliquer par les grandes masses de gaz et la forte turbulence des galaxies jeunes,

pouvant provoquer une instabilité et la fragmentation violente des disques galactiques.



Néanmoins, et malgré les études menées par de nombreux groupes, une compréhension précise de la

formation et de l’évolution de ces clumps reste à établir, aussi bien par l’observation que du point de vue

théorique. La distribution des masses stellaires et de formation stellaire dans les clumps reste débattue, et

surtout l’évolution de ces régions géantes face au « feedback » des étoiles jeunes reste très incertaine. Si les

clumps survivent au feedback, ils peuvent contrôler l’évolution de leur galaxie hôte : croissance du bulbe

central, alimentation du trou noir supermassif, genèse des vents galactiques. Les simulations numériques

manquant de résolution ont recours à des modèles « sous-maille » pour implémenter la formation d’étoiles et

le feedback, et donnent des résultats discordants selon les méthodes employées.



La thèse proposée explorera la nature et l’évolution des clumps par 3 approches complémentaires :

1) une caractérisation observationnelle basée pour la première fois sur la cartographie des quantités

physiques (cartes de masse stellaires, de densité de formation stellaire) à partir de données des champs

profonds du télescope Hubble (champs tels que CANDELS, H-UDF),

2) une comparaison systématique aux cartes simulées par divers groupes employant diverses méthodes de

simulation numérique du feedback stellaire,

3) de nouvelles simulations numériques ayant une modélisation améliorée par l’emploi de « zooms » sur les

clumps de formation stellaire, pour mieux modéliser les sites de formation stellaire et la réaction du milieu

interstellaire turbulent au feedback des étoiles.





Ces approches complémentaires permettront de mieux comprendre le rôle des instabilités des galaxies

primordiales dans la formation de leurs disques, bulbes, et trous noirs supermassifs. Cette étude contraindra

aussi d’autres aspects fondamentaux de la formation des galaxies, tels que l’évolution de leur fraction de gaz

au cours du temps. Ce travail préparera l’interprétation des observations du JWST, qui cartographiera en

détail la distribution des masses stellaires dans les galaxies primordiales, et leur gaz ionisé, à comparer avec les

observations des réservoirs de gaz moléculaire par ALMA. Une compréhension fine de la formation stellaire

dans les galaxies jeunes est également indispensable pour étudier les populations stellaires âgées dans les

galaxies proches, qui seront notamment sondées par EUCLID. Enfin, la thèse proposée emploiera des

simulations numériques réalisées sur les plus grands calculateurs nationaux (GENCI) et Européens

(PRACE).

Recherche de sursauts gamma avec CTA

SL-DRF-18-0269

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service d'Astrophysique (SAp)

Laboratoire d'Etudes des Phénomènes Cosmiques de Haute Energie (LEPCHE)

Saclay

Contact :

Thierry STOLARCZYK

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-09-2018

Contact :

Thierry STOLARCZYK

CEA - DRF/IRFU/DAp/LEPCHE

+33 1 69 08 78 12

Directeur de thèse :

Thierry STOLARCZYK

CEA - DRF/IRFU/DAp/LEPCHE

+33 1 69 08 78 12

Voir aussi : http://neutrini.free.fr

L’observatoire CTA est sur le point de transformer notre vision du ciel à très haute énergie grâce à des performances 10 fois supérieures à celles des instruments existants et à des capacités inédites pour l’étude du ciel variable. L’objectif de la thèse est de contribuer à optimiser les performances de détection en temps réel de sources transitoires, en particulier les sursauts gamma et les contreparties aux ondes gravitationnelles.

Étude des grains interstellaires à l'ère du JWST

SL-DRF-18-0283

Domaine de recherche : Astrophysique
Laboratoire d'accueil :

Service d'Astrophysique (SAp)

Laboratoire d’études de la formation des étoiles et du milieu interstellaire

Saclay

Contact :

Frédéric Galliano

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2018

Contact :

Frédéric Galliano

CNRS - DSM/IRFU/SAp/LCEG

01 69 08 18 21

Directeur de thèse :

Frédéric Galliano

CNRS - DSM/IRFU/SAp/LCEG

01 69 08 18 21

Le milieu interstellaire, qui remplit le volume entre les étoiles d’une galaxie, est constitué de deux composantes principales : le gaz et la poussière. Les grains de poussière sont de petites particules solides, principalement constituées de composés silicatés et carbonés. Ils jouent un rôle majeur dans la physique du milieu interstellaire, bien que leur masse n’en représente qu’un pourcent. En effet, ils absorbent, puis réémettent en infrarouge, une fraction importante de la puissance rayonnée par les étoiles et les disques d’accrétion. En particulier, les régions de formation d’étoiles sont totalement opaques en lumière visible. Seul le rayonnement infrarouge, émis à 99% par la poussière, permet de les étudier. Les grains sont également à l’origine du chauffage du gaz, par effet photo-électrique, dans les régions de photodissociation (PDR). Enfin, les grains servent de catalyseurs à de nombreuses réactions chimiques, dont la formation du dihydrogène, molécule la plus abondante de l’univers.



Les propriétés de ces grains de poussière (abondance, composition chimique, distribution de taille, etc.), ainsi que leur évolution, sont cependant encore mal connues. C’est la conséquence directe de la grande complexité de cette composante et de la difficulté de disposer d’observations permettant de discriminer différents modèles. Ces incertitudes soumettent à caution de nombreux pans de notre connaissance de l’astrophysique : mesures de masse, dérougissement des observations (c’est à dire la correction de l'extinction le long de la ligne de visée), modèles détaillés de PDR, etc. Raffiner notre compréhension de la poussière est également crucial pour comprendre le cycle de la matière interstellaire, car les grains ont un rôle régulateur dans plusieurs des processus qui gouvernent ce cycle. Une compréhension fine de la physique des grains est donc nécessaire pour comprendre l’évolution des galaxies.



L'une des approches, pour s'attaquer à ces questions ouvertes, consiste à étudier la manière dont varient les propriétés observées des grains, avec les conditions physiques auxquelles ils sont soumis. De telles relations empiriques, si elles sont assez précises, permettent de lever de nombreuses dégénérescences sur les différents modèles. La thèse que nous proposons a pour but de se concentrer sur l’étude détaillée des propriétés des plus petits grains (avec un rayon inférieur à 10 nm) et des hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH). Ces composantes du milieu interstellaire rayonnent hors équilibre dans l'infrarouge moyen (5-40 microns). C’est le domaine de longueur d’onde qui contient le plus grand nombre de bandes de résonance de ces solides.



Cette étude se concentrera sur plusieurs galaxies proches, dont les nuages de Magellan. L'intérêt d'étudier les galaxies proches plutôt que le milieu interstellaire de notre Galaxie réside dans la diversité des conditions physiques environnementales auxquelles l'on peut accéder (métallicité, intensité du champ de rayonnement stellaire, etc.).

De nombreuses études ont déjà été publiées sur ce sujet, notamment avec le télescope spatial Spitzer. Cependant, la plupart se sont avérées superficielles. Il reste de nombreux aspects à étudier : (i) la corrélation des propriétés des principales bandes aromatiques avec les conditions physiques ; (ii) contraindre l’évolution de leur distribution de taille ; (iii) identifier et modéliser plusieurs bandes de solides dans les régions de formation d'étoiles. L’une des originalités de cette thèse consistera à développer une méthode sophistiquée de modélisation des données. En effet, les études précédentes se sont presque toutes contentées d’analyser les spectres observés à partir de décompositions linéaires simples. Nous proposons à l’étudiant intéressé de s’atteler au développement d’un code bayesien hiérarchique de décomposition des spectres infrarouges, dont les composantes spectrales proviendront directement de bases de données atomiques, moléculaires et de physique du solide. Ce type de modèle permet d’effectuer simultanément une modélisation physique de l’échantillon et une modélisation statistique de la distribution des paramètres. Il permet de lever de nombreuses dégénérescences et permet d’extraire le maximum d’information des données, en prenant en compte les différentes incertitudes, sans toutefois sur-interpréter les observations. Nous avons récemment développé un tel modèle pour la modélisation des distributions spectrales d’énergie, et les résultats sont convaincants. Ce nouvel outil et son application méticuleuse aux données sont la garantie d'une interprétation précise et originale des processus physiques à l'oeuvre dans les régions étudiées.



Le James Webb Space Telescope (JWST), qui sera lancé en 2019, observera le domaine infrarouge moyen avec une sensiblité et une résolution spatiale exceptionnelles. Les méthodes développées pendant la thèse pourront être appliquées à ces nouvelles données.

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