En 2016, l’annonce de la première détection directe d’ondes gravitationnelles a ouvert une ère durant laquelle l’univers sera sondé d’une manière inédite. Simultanément, le succès complet de la mission LISA Pathfinder a validé certaines technologies retenues pour le projet LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Cet observatoire spatial serait constitué de trois satellites éloignés de 2.5 millions de kilomètres et permettrait la détection directe d’ondes gravitationnelles indétectables par les interféromètres terrestres. Son lancement est prévu par l’ESA pour 2034.



A la différence des observatoires au sol, sensibles à de rares signaux d’ondes gravitationnelles et soumis à un bruit de mesure dominant, un interféromètre spatial sera en permanence alimenté par un grand nombre de signaux distincts et caractérisés théoriquement à divers degrés de précision. Les estimations actuelles des quantités et types de source envisagent entre autres 60 millions de systèmes binaires galactiques émettant de manière continue, 10 à 100 signaux annuels provenant de trous noirs supermassifs, et de 10 à 1000 signaux annuels issus de systèmes binaires avec des rapports de masses très élevés.



Un des objectifs scientifiques de LISA est l’étude de la formation et de l’évolution des systèmes binaires galactiques : des naines blanches, mais aussi des étoiles à neutrons ou des trous noirs d’origine stellaires. Plusieurs systèmes binaires dits « de vérification » sont déjà identifiés comme sources d’ondes gravitationnelles détectables par LISA, et ce nombre devrait augmenter de manière significative grâce aux mesures collectées par le satellite Gaia et le télescope LSST.



LISA devrait permettre la caractérisation d’environ 25000 systèmes binaires galactiques. Les nombreux autres systèmes échappant à une détection individuelle formeront un fond stochastique, ou bruit de confusion. De plus, comme dans toute expérience, les données réelles seront soumises à un certain nombre de bruits et d’artefacts à prendre en compte pour optimiser le potentiel scientifique de la mission.



Le fil conducteur du travail proposé est une démonstration de la capacité scientifique et technique à traiter des données réelles de manière fiable et robuste. Les systèmes binaires galactiques constituent un excellent terrain d’essai. Ce type de signal est mesurable sur LISA, et sa forme pour un système individuel est bien connue d’un point de vue théorique. Néanmoins, extraire l’information d’intérêt astrophysique de ces signaux requiert de résoudre différents problèmes de traitement du signal tels que :

1. La séparation de plusieurs sources individuelles, apparaissant comme un spectre de raies, d’un fond stochastique.

1. La prise en compte de déviations inattendues (glitches) dans l’analyse de données à partir du retour d’expérience de LISA Pathfinder.

2. L’analyse à partir de données incomplètes, dues aux périodes d’interruption dans l’acquisition des données (maintenance, instabilités de sous-systèmes, etc.).

3. Le développement de méthodes d’analyse robustes vis-à-vis de bruits non gaussiens, ou non stationnaires, ou corrélés.



Il est attendu que ces différents éléments auront un impact important sur l’estimation des signaux d’ondes gravitationnelles. Dans ce cadre, ce travail de thèse consistera tout d’abord en l’étude de leur impact sur l’analyse, puis au développement de nouvelles méthodes inspirées de problèmes analogues en traitement d’image appliqué à l’astrophysique. Ces méthodes reposent sur la modélisation parcimonieuse des signaux. Celle-ci permet d’exploiter les différences de formes ou de morphologie entre ces signaux et le bruit pour la résolution de problèmes inverses. Le candidat adaptera les algorithmes tirant parti de cette diversité morphologique, les implémentera et analysera leur apport sur des données simulées réalistes associées à LISA, et si possible sur des données réelles d’interféromètres au sol.



Cet ensemble d’activités peut toutefois être amené à évoluer en fonction des avancées théoriques d’une part, et de la publication de nouvelles mesures d’autre part. Toutes ces activités peuvent conduire à des contraintes de dimensionnement de la mission, des outils ou méthodes de traitement des données. Ce sujet comporte une dominante de traitement du signal et de programmation soignée, mais son aspect pluridisciplinaire rend possible l’exploration de nombreux champs en fonction des opportunités scientifiques et de la durée impartie d’une thèse.

Les mesures des propriétés statistiques de la structure de l'univers à grande échelle (LSS) fournissent des informations sur la physique qui a généré les fluctuations primordiales de densité. En particulier, elles permettent de distinguer différents modèles d’inflation cosmique en mesurant la non-gaussianité primordiale (PNG), l’écart par rapport aux conditions initiales du champ aléatoire gaussien.



Notre plan pour étudier la PNG consiste à utiliser un relevé spectroscopique, DESI, dont les observations débuteront d'ici la fin 2019. Les structures à grande échelle seront mesurées avec deux traceurs différents de la matière: des quasars d'une part, et des galaxies à raies d'émission (ELG), qui sont des galaxies formant des étoiles, d'autre part. Ces deux traceurs nous permettent de couvrir une large plage de redshift allant de 0.6 à 2.5.



DESI réalisera un relevé 3D de dizaines de millions de galaxies et de quasars en 5 ans sur 14 000 degrés carrés. Les observations auront lieu auprès du télescope Mayall de 4 m en Arizona.



Au cours de sa première année de thèse, l’étudiant participera à la mise en service du nouvel instrument et à la validation du relevé. En particulier, il/elle sera responsable de la validation de la sélection des objets ELG et quasar. Il/elle étudiera ensuite la fonction de corrélation à grande échelle de ces traceurs afin de mesurer la PNG. Avec la première année d'observation de DESI, nous devrions atteindre une sensibilité meilleure que toutes les mesures antérieures reposant sur l'étude des structures à grande échelle.

De grandes quantités de gaz échappent, faute d’émission, à l’inventaire du milieu interstellaire [1]. Ce gaz sombre se concentre à l’interface entre les phases atomiques et moléculaires des nuages. Il joue un rôle déterminant dans le cycle interstellaire et il nous informe sur la capacité des grands réservoirs de gaz atomique des galaxies à produire des nuages moléculaires pour former des étoiles. Or on ignore presque tout de la composition, de l’état et de l’abondance du gaz sombre, et comment ces propriétés varient à l’échelle d’une galaxie. Trouver des moyens directs d’observation et caractériser cette phase interstellaire sont donc deux objectifs majeurs pour comprendre les écosystèmes galactiques.

On révèle indirectement le gaz sombre en couplant les observations des poussières qu’il contient et des rayons cosmiques qui le sillonnent et rayonnent en gamma. Le but proposé pour la thèse est d’exploiter les données gamma de Fermi et de multiples traceurs interstellaires (Planck, WMAP, Gaia, nouveaux relevés radio et mm) pour étudier le plus grand complexe de gaz sombre du voisinage solaire. Les analyses permettront de quantifier le contenu en gaz visible et sombre des nuages, de suivre la pénétration des rayons cosmiques dans les phases denses et de caractériser l’évolution des propriétés des poussières d’une phase à l’autre. Ce dernier point est essentiel pour ouvrir la voie à des études Galactiques et extragalactiques fiables du gaz sombre en ne s’appuyant que sur l’émission des poussières.

L’étude devra relever le défi de séparer l’émission gamma interstellaire de celle des Bulles de Fermi (grands jets de particules de haute énergie expulsés des régions centrales de la Galaxie) en développant une méthode de séparation de composante multi-spectrale.

L’étudiant(e) pourra également participer au projet de ballon sub-millimétrique co-PILOT du CNES, prévu pour 2020 pour rechercher des signatures de recombinaison de C+ dans le gaz sombre local.

Le travail s’effectuera au sein de la Collaboration internationale Fermi et profitera de nombreux échanges avec des experts interstellaires en France (à l’ENS et l’IRAM), aux Etats-Unis (Alma, Stanford), en Australie (SKA-GASKAP) et en Chine (FAST). L’étudiant(e) participera en début de thèse au mois d’atelier international sur le gaz sombre qui se tiendra à l’Institut Pascal de l’Université Paris-Saclay.

[1] Grenier et al., 2005, Science 307, 1292

La distribution de la matière aux échelles cosmologiques peut être prédite dans le cadre du modèle cosmologique standard, et elle dépend entre autres de la masse (inconnue) des neutrinos, et des propriétés de la matière noire dont la nature nous échappe toujours. L'IRFU-DPhP contribue fortement au grand relevé spectroscopique DESI, qui va fournir une cartographie inédite de cette distribution de matière.

Dans cette thèse, on utilisera les observations dite de la forêt Lyman-alpha, qui mesurent l'absorption de l'émission lumineuse des quasars par le milieu intergalactique, et fournissent à ce jour les meilleures observations de la distribution de matière aux "petites" échelles cosmologiques (~mégaparsec). A l'aide des outils les plus à jour, l'étudiant développera un nouvel ensemble de simulations cosmologiques incluant l'hydrodynamique du gaz intergalactique ainsi que les propriétés hypothétiques des neutrinos et de la matière noire. L'étudiant analysera ensuite les toutes premières données en forêt Lyman-alpha de DESI ce qui permettra à la fin du travail de thèse d'obtenir de nouvelles mesures sur la masse des neutrinos ainsi que sur plusieurs scénarios de matière noire ("warm dark matter", "fuzzy dark matter", etc.).

L’observatoire CTA est sur le point de transformer notre vision du ciel à très haute énergie grâce à des performances dix fois supérieures à celles des instruments existants et à des capacités inédites pour l’étude des phénomènes transitoires. L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence du fond diffus de lumière extragalactique sur la détectabilité des sursauts gamma, et de contribuer à optimiser les performances de détection en temps réel de ces sursauts et ainsi que d’éventuelles contreparties aux ondes gravitationnelles. Le travail de recherche contribuera au développement de la chaîne de traitement des données et aux outils d’analyse scientifique de CTA, et exploitera les premières données de l’observatoire.

At redshifts of z=2 to 3, the epoch of the peak star formation and black hole activity in the Universe, the first giant dark matter halos were also growing very rapidly, and baryons falling into their deep potential wells induced prodigiously vigorous activity leading to the major phases of galaxy and black hole assembly, often hidden by dust. These early phases for the evolution of galaxies are expected to be crucial to lead to the formation of their dominant early type galaxy population (via quenching mechanisms still poorly understood) and well relaxed hot gas atmospheres, as observed in local massive galaxy clusters (via some sort of yet unknown feedback between galaxies and the hot gas, leading to energy and entropy injection affecting its thermodynamic evolution). The overall physical processes relevant for galaxies and structures evolution in the first forming clusters are still largely poorly mapped, and yet not well understood. But increasing interest and efforts in the community coupled with emerging observational results and prospects for future mission (e.g., JWST, Euclid and Athena) make this research field one of the most hot and promising in the current domain of galaxies and structure formation. I propose a PhD thesis in Saclay in this research field, based on new observations with ALMA, NOEMA, Herschel, HST and Keck of two dense structures discovered by our research groups at z=2 and 2.5 (Gobat et al 2011; 2013; Wang et al 2016) and a new forming cluster found at z=2.91. The student will be responsible of the final reduction, analysis and interpretation of a substantial amount of data we obtained

with the new and revolutionary Keck Cosmic Web Imager, allowing for the first time 3D spectroscopy in the blue over large fields, down to wavelengths not accessible to the MUSE instrument at the VLT. These Keck data have revealed giant clouds of cold gas extending over 100kpc or more at the cluster cores, detected from their Lya emission. The high level goal of the thesis will be to observationally characterise and understand the nature, origin and fate of these giant reservoirs of cold gas. This will be done in particular in connection with galaxy activity present in the clusters, that will be probed by HST multicolour imaging (to reveal morphologies, stellar populations and merging rates possibly connected to galaxy stripping and production of inter cluster material) and with NOEMA, ALMA and Herschel (to study gas reservoirs, star formation hidden by dust and the state of the interstellar medium). The cold gas might eventually result to be a first convincing smoking gun of cold flow accretion to massive dark matter halos required by theory to justify the vigorous galaxy activity present at high redshift. Such smoking gun has long been sought observationally at high redshifts but never convincingly detected yet. Possible evidences leading to this could be connected with the morphology of the Lya gas, large kinematics and metal enrichment, that we will be able to investigate with existing data and with future observations. The student will be, in fact, involved during the PhD in a vigorous effort of proposing for Keck, VLT and ALMA/NOEMA time, to foster this science, with a resulting expertise in all aspects of observational astronomy, including experience with dealing with truly multi-wavelength datasets.