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Cartographie de paramètres physiques dans les vestiges de supernova par machine learning
Mapping physical parameters in supernova remnants with machine learning

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/01/2022

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Acero Fabio
+33 1 69 08 47 05

Résumé/Summary
Le but de ce stage est d'implémenter un outil d'apprentissage, intitulé Interpolation Auto-Encoder (IAE), pour la cartographie des paramètres physiques (e.g. température, indice spectral, etc) d’un cube de données en rayons X avec une contrainte de régularisation spatiale.
The goal of this internship is to implement a machine learning tool called Interpolation Auto-Encoder (IAE) in a method to extract a map of physical parameters from X-ray data cube.
Sujet détaillé/Full description
Contexte: Les spectro-imageurs en rayons-X permettent de mesurer la position, l’énergie et le temps d’arrivée pour chaque photon incident. Cette liste de photons permet de créer des cubes de données (X, Y, Energie) où un spectre est accessible pour chaque pixel de l’image. En dépit de la richesse des archives en rayons X et du bond en performance des missions à venir, nos méthodes d’analyses n’ont que trop peu évolué dans les dernières décennies et ne peuvent extraire la richesse d’informations scientifiques contenue dans ces données.
Ce projet s’intéressera en particulier aux méthodes de traitement du signal pour la cartographie des paramètres physiques (ex: température, métallicité, et vitesse du plasma) dans les sources étendues telles que les vestiges de supernova (voir Figure 1) ou les amas de galaxies. Cela consiste à obtenir pour chaque pixel ou groupe de pixels, une série de paramètres physiques à partir de leur information spectrale.
Les méthodes classiques d’ajustement spectral d’un cube de données sont lentes et bruitées, un facteur limitant l’analyse des données à très haute résolution spectrale des satellites à venir XRISM en 2023 et Athena X-IFU en 2034.

Objectif: Nous proposons d’explorer de nouvelles méthodes pour la cartographie de paramètres physiques en mettant à profit de récents développements méthodologiques dans notre laboratoire s’appuyant sur les concepts de parcimonie, d’analyse en ondelettes et d’apprentissage profond afin d’obtenir une méthode rapide et robuste. En particulier, l’objectif du stage sera d’implémenter un outil d'apprentissage, intitulé Interpolation Auto-Encoder (IAE, [3]), pour la cartographie des paramètres d’un cube de données avec une contrainte de régularisation spatiale [1]. L'algorithme ainsi développé sera tout d'abord évalué sur des données simulées, puis testé sur données réelles suivant l'avancement du stage.

Candidat/Candidate: La personne recrutée doit être en formation de Master 2 (ou équivalent) et devra posséder de bonnes connaissances en traitement du signal/des images, ainsi qu'en apprentissage automatique (machine learning). Idéalement, le langage Python devra être connu et la connaissance du module d'apprentissage JAX et d'outils d'optimisation convexe est un plus.

Le candidat / la candidate acquerra une expertise en traitement du signal parcimonieux (notamment de données multi-valuées) et en apprentissage automatique.

Le stage (5-6 mois) se déroulera au sein du département d'Astrophysique du CEA par Fabio Acero et Jérôme Bobin (Groupe d'analyse de données du DEDIP - CEA Saclay).

Contact: fabio.acero@cea.fr et jerome.bobin@cea.fr
Les candidatures sont attendues avant le 30 janvier 2022
Mots clés/Keywords
cartographie ; machine learning
Logiciels
Python JAX
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Cosmologie gamma : Mesures du champ magnétique intergalactique avec les sursauts gamma et CTA
Gamma cosmology: Measures of the intergalactic magnetic field using gamma-ray bursts and CTA

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

21/05/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Belmont Renaud
+33169089808

Résumé/Summary
Ce stage propose de contraindre le champ magnétique intergalactique par la modélisation de la propagation des rayons gamma issus de sursauts (GRB) et l'analyse des futures observations CTA.
This internship proposes to constrain the intergalactic magnetic field by modelling the propagation of gamma rays produced by gamma-ray bursts (GRBs), and analysing future CTA observations.
Sujet détaillé/Full description
Depuis une vingtaine d’années, l’avènement des télescopes Tcherenkov a permis le développement de l’astronomie gamma à très haute énergie (>20GeV), avec des retombées dans beaucoup de domaines de l’astrophysique, et en particulier en cosmologie. La cosmologie gamma repose sur l’absorption, par la lumière infra-rouge des galaxies, des rayons gamma émis par des sources lointaines de l’Univers. Cette absorption est en effet directement liée à l’histoire de la formation stellaire et au modèle cosmologique qui conditionne l’apparition des grandes structures de l’Univers.
L’absorption des rayons gamma par les photons infrarouge produit des électrons et des positrons qui interagissent sur le fond diffus cosmologique et produisent à leur tour des rayons gamma. Ces rayons gamma secondaires peuvent eux-mêmes être absorbés, produisant en cascade de nouvelles paires électron-positron. Ces cascades électromagnétiques se développent dans le milieu intergalactique et possèdent différentes signatures qui sont recherchées dans les données : d’une part, les rayons gamma secondaires, d’énergie plus faible, créent un excès sur la partie à basse énergie du spectre ; d’autre part, le champ magnétique intergalactique (Intergalactic Magnetic Field, IGMF) dévie les particules chargées, produisant un halo diffus autour de la source et un retard dans le temps d’arrivée des rayons gamma secondaires. La recherche de ces signatures dans les observations gamma permet d’étudier ce champ magnétique dont l’origine remonte probablement aux premiers instants de l’Univers. Cette méthode permet d’accéder à des très faibles intensités et à des propriétés à grande échelle, inaccessibles aux mesures traditionnelles de champ magnétique.

Le travail de stage s’intéressera à l’étude des cascades issues des sursauts gamma (GRB) et aux contraintes qu’elles peuvent apporter sur l’IGMF en particulier avec l’observatoire CTA en cours de construction. CTA comportera à terme 19 télescopes sur le site Nord (La Palma, îles Canaries), et 99 sur le site Sud (désert d’Atacama au Chili). Le premier grand télescope de 23 m a commencé sa prise de données laissant espérer plusieurs détections dans les années qui viennent.

L’IGMF a déjà été étudié avec une population de noyaux actifs de galaxie (AGN) qui a permis d’établir des limites inférieures sur l’intensité moyenne du champ (B>10^(-16) G). Les sursauts gamma, très brefs par nature, permettront une approche basée sur les retards temporels, très différente de celle utilisée pour les AGN et donc des contraintes indépendantes et complémentaires sur l’IGMF.

Le travail de ce stage consistera à utiliser des simulations numériques de cascades issues des GRB et à étudier leurs signatures observationnelles. Plus précisément, les cascades simulées seront couplées à la chaine d'analyse développée dans le groupe pour CTA, permettant ainsi de définir ses capacités à contraindre l'IGMF.
L’étudiant(e) sera intégré(e) à l’équipe LEPCHE du Département d’Astrophysique du CEA Paris-Saclay. Cette équipe est très impliquée à la fois dans les observations de GRB, ainsi que dans la préparation de futur grand télescope Tcherenkov CTA. Les chercheurs de l’équipe sont en particulier chargés de préparer les futures observations de GRB avec CTA.
In the past 20 years, the advent of Cherenkov telescopes has allowed for the rapid growth of very high energy gamma-ray astronomy, and had provided impacts in many fields of astrophysics including cosmology. Gamma-ray cosmology is based on the absorption of very high energy photons (>100 GeV) from extragalactic sources by infrared photons emitted by stars in galaxies. Such absorption is linked to the history of star formation and to the cosmological model implied in the formation of large-scale structures in the Universe.
The absorption of gamma rays by infrared photons also produces pairs of electrons and positrons that interact with photons from the cosmological microwave background (CMB) and produce more gamma rays. These secondary high energy photons can also be absorbed, generating a cascade of pairs and photons. These electromagnetic cascades develop in the intergalactic medium and provide specific observational signatures that are searched in gamma-ray data. On the one hand, the secondary photons are responsible for an excess emission at lower emission. On the second hand, the intergalactic magnetic field (IGMF) deflects the charged particles, producing an extended halo around point sources and a time delay in the arrival of secondary gamma rays. This large-scale magnetic field is expected to originate from the very first epoch of the cosmic history. The search for these signatures in gamma-ray observations hence allows to probe this relic field at very low intensities, where traditional methods fail.

The work will focus on cascades induced by gamma-ray bursts (GRBs) and on the constrains they can provide on the IGMF. In particular, it will be done in preparation of the future CTA observatory. This array of Cherenkov telescopes will have 19 telescopes in its north site (La Palma, Canary islands) and 99 in its south site (Chili). The first 23m telescope is already operational, promising several GRB detections in the next years.
The IGMF has already be studied using active galactic nuclei (AGN), which has provided lower limits on its intensity (B>10^(-16)G). The very short duration of GRBs will allow for a very different approach, based on time delays, hence for independent and complementary constrains.
The work will consist in using numerical simulations of gamma-ray induced cascades, using a Monte Carlo simulation code and studying their observational signatures. Namely the simulated cascades will be coupled to the CTA data analysis chain developed in the group in order to predict constrains on the IGMF.

The student will work in the LEPCHE team of the Astrophysics Department at CEA Paris-Saclay. The team is strongly involved in GRB observations and in the preparation of CTA in general. More specifically, its researchers are charged with the preparation for GRB observations with CTA.
Mots clés/Keywords
rayons gamma, astroparticules, cosmologie
gamma-rays, astroparticles, cosmology
Compétences/Skills
Modélisation avec des simulations numériques Monte Carlo Analyse de données
Modelling with Monte Carlo numerical simulations, Data analysis
Logiciels
python
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Etudes des propriétés X et gamma de microquasars : le monitoring INTEGRAL de GRS 1915+105

Spécialité

Astrophysique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/05/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

RODRIGUEZ Jerome
+33 1 69 08 98 08

Résumé/Summary
Le but du stage est d'analyser la grande base de données du satellite INTEGRAL en se focalisant sur le microquasar GRS 1915+105. Des données d'archives mais aussi en cours d'acquisition durant le stages seront systématiquement scrutées
Sujet détaillé/Full description
Les microquasars sont des systèmes binaires X contenant habituellement un trou noirs et sièges de jets relativistes. Ils passent la majorité de leur vie en dormance et entrent sporadiquement dans des périodes d'activité, nommées éruptions, durant lesquelles ils deviennent extrêmement lumineux à toutes longueurs d'onde, et en particulier en rayons X et gamma.
Notre équipe mène depuis de nombreuses années des campagnes de suivis de nombreux microquasars afin de comprendre les mécanismes responsables des grandes variations de leur luminosité au cours des éruptions. En sus des diagnostiques 'classiques' (variations temporelles, spectroscopie X) INTEGRAL permet de plus de sonder les propriétés de haute énergie (typiquement au-delà de 100 keV) de manière unique, et aussi d'aborder ces émissions sous l'angle de la polarimétrie.

Nous nous intéresserons pendant le stage à GRS 1915+105, un microquasar en activité depuis 30 ans, au comportement assez singulier, et qui a montré depuis 2018 une baisse historique de sa luminosité. L'origine de ce comportement est débattu, et sera l'une des questions principales du stage: la source a-t-elle subit une transition d'état classique vers la dormance ou expérimente-t-on la présence d'un "nuage" absorbant le rayonnement?
Nous nous focaliserons aussi sur sur la potentielle présence d'une composante dure (au delà typiquement de 50-100 keV) parfois détectée dans ces objets et dont l'origine est largement débatue:
-Couronne d'électrons sources de rayonnement Compton
-Base d'un jet relativiste source de rayonnement Synchrotron
Si le temps le permet les propriétés de polarisation de ce rayonnement seront abordées.
Enfin la campagne de monitoring étant prévue pour continuer en 2022 (l'encadrant de stage est PI du projet), avec notamment des prises de données en général planifiée entre Mars et Juin, ces observations seront d'abord analysées en temps quasi-réel (2heures de décalage entre l'observation et la réception des données) afin de scruter les variabilités de GRS 1915+105 et des sources du large champ céleste couvert par INTEGRAL (29x29 degrés), et prendre les initiatives appropriées en cas d'événement particulier (Télégramme astronomique, déclenchement de ToO, suivis multi-longueur d'onde...).

Un niveau bac +5 (équivalence de Master II) est requis, ainsi qu'une formation de base en astrophysique.
Une poursuite en thèse pourra être envisagée selon l'issue du stage.
Mots clés/Keywords
Astrophysique des hautes énergies - objets compacts - accrétion / éjection
Compétences/Skills
Observations et analyses de données Réductions des observations avec pipeline officielles Analyse temporelle Spectroscopie Polarimétrie Développement d'outils spécifiques si nécessaires en python
Logiciels
Linux python

 

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