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Astro-COLIBRI : une application smartphone pour l'astrophysique multi-messager
Astro-COLIBRI: a smartphone app for multi-messenger astrophysics

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

07/06/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SCHUSSLER Fabian
+33 1 69 08 30 20

Résumé/Summary
Nous avons développé une plateforme multi-messagers moderne (https://astro-colibri.com) et l'utilisons pour mener des observations multi-messagers avec des observatoires de rayons gamma de très haute énergie comme H.E.S.S. et CTA. Dans le cadre de ce stage, nous allons étendre les fonctionnalités d'Astro-COLIBRI concernant les observations de suivi des événements d'ondes gravitationnelles.
We have developed a modern multi-messenger platform (https://astro-colibri.com) and are using it to conduct multi-messenger observations with very-high-energy gamma-ray observatories like H.E.S.S. and CTA. In this internship we will expand the functionalities of Astro-COLIBRI concerning follow-up observations of gravitational wave events.
Sujet détaillé/Full description
Le but du stage est d'étendre les fonctionnalités de la plateforme Astro-COLIBRI pour les campagnes de suivi multi-observatoires. En particulier, la recherche de contreparties électromagnétiques d'événements d'ondes gravitationnelles (OG) est un défi en raison des grandes zones d'incertitude de localisation fournies par les observatoires OGs Ligo/VIRGO/KAGRA. Des algorithmes dédiés ont été développés au sein du groupe à l'IRFU / CEA Paris-Saclay. Ces algorithmes prennent en compte la localisation tridimensionnelle des événements OG, les combinent avec des catalogues de galaxies, et utilisent les paramètres individuels des instruments de suivi (par exemple le champ de vision, les contraintes de visibilité, la sensibilité, etc) pour déterminer un schéma d'observation optimal. Ces outils ont été utilisés de manière extrêmement efficace ces dernières années avec les observatoires de rayons gamma à haute énergie H.E.S.S. et CTA.
Au cours de ce stage, nous adapterons et inclurons ces algorithmes dans l'API Astro-COLIBRI. Les plannings d'observation qui en résulteront seront ensuite visualisés sur le Web et dans les applications pour smartphones afin de permettre une organisation efficace des observations de suivi par un large éventail d'instruments dans le monde entier. Des tests approfondis avec des événements GW réels détectés au cours des dernières années, ainsi que des alertes simulées en temps réel, précéderont le déploiement des nouvelles fonctionnalités dans Astro-COLIBRI (y compris la soumission aux app stores de Google et Apple). Cela facilitera une manière nouvelle et collaborative de mener ces observations cruciales lors du prochain cycle de prise de données (O4, débutant fin 2022).

Le stage sera donc une introduction et une préparation parfaites au projet de thèse de doctorat proposé par le groupe à l'IRFU, qui améliorera encore les algorithmes avant de les utiliser activement dans la recherche de contreparties gamma VHE aux événements GW avec H.E.S.S. et CTA. Voir https://irfu.cea.fr/Pisp/fabian.schussler/index.html pour plus de détails.
The aim of the internship to expand the functionalities of the Astro-COLIBRI platform for multi-observatory follow-up campaigns. Especially the search for electromagnetic counterparts of gravitational wave events is challenging due to the large localization uncertainty areas provided by the GW observatories Ligo/VIRGO/KAGRA. Dedicated scheduling algorithms have been developed within the group at IRFU / CEA Paris-Saclay. These algorithms take into account the 3-dimensional localization of the GW events, combine them with catalogs of galaxies, and use the individual parameters of the follow-up instruments (e.g. field-of-view, visibility constrains, sensitivity, etc.) to derive an optimal observing pattern. These tools have been used extremely efficiently over the last years with the H.E.S.S. and CTA high-energy gamma-ray observatories.
During this internship we will adapt and include these algorithms within the Astro-COLIBRI API. The resulting observing patterns will then be visualized in the web and smartphone apps to allow for an efficient organization of follow-up observations by a large range of instruments around the world. Extensive testing with real GW events detected over the last years, as well as simulated real-time alerts will precede the deployment of the new functionalities within Astro-COLIBRI (incl. submission to the Google and Apple apps stores). This will facilitate a novel and collaborative way of conducting these crucial observations during the next data taking run (O4, starting end 2022).
The internship will thus be a perfect introduction and preparation of the PhD thesis project proposed in the group at IRFU that will further improve the scheduling algorithms before actively using them in searches for VHE gamma-ray counterparts to GW events with H.E.S.S. and CTA. See https://irfu.cea.fr/Pisp/fabian.schussler/index.html for details.
Mots clés/Keywords
multimessager, ondes gravitationnelles, rayons gamma
multimessenger, gravitational waves, gamma rays
Logiciels
Python
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Etude de l'émission diffuse dans la région du Centre Galactique avec H.E.S.S.
Study to the diffuse emission in the Galactic Center region with H.E.S.S.

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/06/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MOULIN Emmanuel
+33 1 69 08 29 60

Résumé/Summary
La région centrale de la Voie Lactée est le lieu de phénomènes astrophysiques parmi les plus violents à l'oeuvre dans l'univers. H.E.S.S. conduit un programme scientifique clé dans la région du Centre Galactique pour étudier l'accélération et la propagation de rayons cosmiques et pour rechercher l'annihilation de particules de matière noire dans l'une des régions les plus prometteuses du ciel.
The central region of the Milky Way harbors among the most violent astrophysical phenomena in the universe. H.E.S.S. is conducting key-science observation program in the Galactic Centre region to study cosmic-ray acceleration and propagation and to search for dark matter particle annihilation in one of the most promising region of the sky.
Sujet détaillé/Full description
L’observatoire H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) situé en Namibie est composé de quatre télescopes imageurs à effet Tcherenkov atmosphérique de 12 m de diamètre et d’un de 28 m de diamètre au centre du réseau. Le réseau H.E.S.S. est conçu pour détecter des rayons gamma dans la plage en énergie de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV dans le but d’étudier les phénomènes parmi les plus violents à l’oeuvre dans l’Univers. La sensibility en flux atteinte par H.E.S.S. est de quelques millièmes du flux de la source stable la plus brillante. Des observations en champ profond de régions sélectionnées du ciel comme le balayage de la région du centre de la Voie Lactée, i.e., « the Inner Galaxy Survey (IGS) » sont à l’oeuvre en tant que programmes scientifiques clés. L’observatoire H.E.S.S. est piloté par une collaboration internationale d’environ 230 scientifiques de 39 instituts répartis dans 13 pays.

Les observations H.E.S.S. de la région centrale de la Voie Lactée ont révélé une grande variété d’émetteur gamma comme le trou noir supermassive Sagittarius A*, des nuages moléculaires, des vestiges de supernova ansi que de possible éjecta de matière. Les observations en champ profond menées par H.E.S.S. sont cruciales pour étudier l’accélération et la propagation des rayons cosmiques dans la region du Centre Galactique. En outre, la region centrale de la Voire Lactée est également la région la plus prometteuse su ciel pour détecter un signal d’annihilation de particules d matière noire. Dans cet environnement dense, les particules de matière noire pourraient s’annihiler aujourd’hui en particules du Modèle Standard et produire des rayons gamma dans l’état final. Le jeu de données massif accumulé avec les observations de H.E.S.S. dans la région du Centre Galactique avec les quatre télescopes de 12 m ont permis aux scientifiques de H.E.S.S. de détecter le premier Pevatron Galactique, un accélérateur de rayons cosmiques jusqu’à des énergies de l’ordre du PeV, et de poser les contraintes les plus fortes à ce jour sur l’annihilation de particules de matière noire dans la plage en masse du TeV.

L’objectif du stage est d’analyser les observations IGS prises avec H.E.S.S. Dans un premier temps, une nouvelle méthode d’analyse sera développée pour rechercher de nouvelles émissions diffuses dans la régions du centre Galactique à l’aide d’une technique d’analyse utilisant des partons pour le signal recherché. Ensuite, un modèle utilisant les caractéristiques spectrale et spatiale au TeV pour les éjecta de matière et l’annihilation de matière noire sera construit. Dans une troisième étape, cette méthode sera appliquée aux données IGS pour évaluer le potentiel de séparation entre un signal de matière noire et des émission astrophysiques conventionnelles.
The H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) observatory located in Namibia is composed of four 12m-diameter imaging atmospheric Cherenkov telescopes and one of 28m-diameter at the center of the array. The H.E.S.S. array is designed to detect gamma rays in the energy range from a few ten GeV up to several ten TeVs in order to study the most violent phenomena in the universe. The gamma-ray flux sensitivity achieved by H.E.S.S. is a few thousandth of the flux of the brightest steady gamma-ray source and deep-field observations of selected key regions of the sky such as the inner Galaxy survey (IGS) are being conducted as key-science observation programs. The H.E.S.S. observatory is operated by an international collaboration of about 230 scientists from 39 scientific institutions in 13 countries.

The H.E.S.S. observations of the inner region of the Milky Way revealed a diversity of gamma-ray emitters including the closest supermassive black hole, Sagittarius A*, molecular clouds, supernova remnants and the base of Galactic outflows. The deep-field observations carried out by H.E.S.S. are a crucial tool to study acceleration and propagation of cosmic rays in the Galactic Centre region. In addition, this region is the most promising target to search for dark matter signals. In such a dense environment, dark matter particle may annihilate today into Standard Model particles including a possible emission of gamma rays in the final state. The rich observational dataset accumulated by the H.E.S.S. observations of the Galactic Center region with the four 12m-diameter telescopes led the H.E.S.S. scientists to detect the first Galactic Pevatron, a cosmic ray accelerator reaching energies of 10^15 eV, and to set the strongest constraints to date on the self-annihilation of dark matter particles in the TeV mass range.

The goal of the internship is to analyze the observations from the inner Galaxy survey taken with the full H.E.S.S. instrument. In a first step, we will develop a novel data analysis method to search new diffuse emissions in the Galactic Centre region based multi-template analysis techniques. In a second step, we will build a model of the spectral and spatial features of outflows and dark matter signals at TeV energies. In a third step, we will apply the method to the full H.E.S.S. observational dataset in the Galactic Centre region to assess the potential to separate dark matter signals and conventional astrophysical emissions.
Mots clés/Keywords
Astroparticules
Astroparticle Physics
Compétences/Skills
Méthode statistique, test de vraisemblance
Statistical analysis, likelihood test
Logiciels
C++, python
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Prévision de la sensibilité de DESI à la matière noire et aux propriétés des neutrinos avec la forêt Lyman-alpha
Forecasting DESI sensitivity to dark matter and neutrino properties with the Lyman-alpha forest

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/05/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ARMENGAUD Eric
+33 1 69 08 19 50

Résumé/Summary
La forêt Lyman-alpha est un outil puissant pour mesurer la distribution de la matière dans l'Univers primitif. Au cours de ce stage, l'étudiant utilisera cette sonde pour étudier la sensibilité du relevé du ciel DESI aux paramètres cosmologiques, et en particulier à la masse des neutrinos.
The Lyman-alpha forest is a powerful tool to measure the distribution of matter in the early Universe. During this internship, the student will use this probe to study the sensitivity of the ongoing DESI sky survey to cosmological parameters, and in particular to the neutrino mass.
Sujet détaillé/Full description
La distribution de la matière aux échelles cosmologiques peut être prédite dans le cadre du modèle cosmologique standard. Elle dépend entre autres de la masse absolue des neutrinos (encore inconnue) et des propriétés de la matière noire, dont la nature est un grand mystère scientifique. L'équipe de cosmologie de l'IRFU-DPhP est fortement impliquée dans le relevé du ciel DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument). DESI est le premier des projets de nouvelle génération dont le but est de cartographier les structures à grande échelle dans l'Univers. Le télescope DESI, situé en Arizona, a commencé ses observations en 2021 et fournira dans les années à venir une carte 3D sans précédent de l'Univers.
Au cours du stage proposé, l'étudiant se concentrera sur un type spécifique d'observation réalisée avec DESI : la forêt dite Lyman-alpha, qui mesure l'absorption par le milieu intergalactique de la lumière provenant de quasars distants situés à des décalages vers le rouge z ~ 2 - 4. Les observations Lyman-alpha fournissent la seule mesure de la distribution de la matière à la fois aux "petites" échelles cosmologiques (~megaparsec) et dans l'Univers primitif (il y a 10 à 12 milliards d'années, juste 2 milliards d'années après le Big Bang). Nous proposons à l'étudiant d’utiliser des simulations des observations de Lyman-alpha par DESI, ainsi que des modèles des structures cosmologiques, afin de prévoir la sensibilité de DESI à plusieurs paramètres cosmologiques, liés à la nature de la matière noire et des neutrinos. L'accent sera mis sur la sensibilité à la somme des masses des neutrinos : actuellement, le Lyman-alpha, ainsi que les mesures du fond diffus cosmologique, limitent déjà ce paramètre à moins de ~110 milli-eV, alors que la physique des particules nous dit qu'il devrait être de 60 milli-eV ou plus. Peser les particules de matière les plus légères que nous connaissons dans l'Univers avec les plus grands relevés cosmologiques serait un grand succès, tant en cosmologie qu'en physique des particules. Cette formation permettra à l'étudiant de comprendre la physique de la forêt de Lyman-alpha, et de se familiariser avec les outils et les concepts les plus courants utilisés en cosmologie. Si le temps le permet, l'étudiant pourra également s'impliquer dans l'analyse de données DESI réelles. Ce stage pourra déboucher sur une thèse.
The matter distribution on cosmological scales can be predicted within the standard cosmological model. It depends among others on the (yet unknown) absolute neutrino mass and on the properties of dark matter, whose nature is a great scientific mystery. The IRFU-DPhP cosmology team is strongly involved in the DESI sky survey (Dark Energy Spectroscopic Instrument). DESI is the first among next-generation projects whose goal is to map large scale structures in the Universe. The DESI telescope, located in Arizona, started its observations in 2021 and will provide in the coming years an unprecedented 3D map of the Universe.
During the proposed internship, the student will focus on one specific kind of observation carried out with DESI: the so-called Lyman-alpha forest, which measures the absorption by the intergalactic medium of light from distant quasars located at redshifts z ~ 2 - 4. Lyman-alpha observations provide the only measurement of the matter distribution both at "small" (~megaparsec) cosmological scales, and in the early Universe (10 - 12 billion years ago, just 2 billion years after the Big Bang). We propose that the student uses simulations of Lyman-alpha observations by DESI, together with models of the cosmological structures, in order to forecast the sensitivity of DESI to several cosmological parameters, related to the nature of dark matter and neutrinos. An emphasis will be put on the sensitivity to the sum of neutrino masses: currently the Lyman-alpha, together with Cosmic Microwave Background measurements, already bound this parameter to be less than ~110 milli-eV, while particle physics tells us it should be 60 milli-eV or more. Weighing the lightest matter particles we know in the Universe with the largest cosmological surveys would be an incredible success in both cosmological and particle physics endeavours. This training will allow the student to understand the physics behind the Lyman-alpha forest, and get familiar with the most common tools and concepts used in cosmology. If time allows, the student may also get involved into the analysis of real DESI data. This internship may lead to a thesis.
Mots clés/Keywords
Cosmologie, Physique des particules
Cosmology, Particle physics
Compétences/Skills
Analyse de données Simulations numériques Inférence statistique
Data analysis Numerical simulations Statistical inference
Logiciels
python

 

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