Les sujets de thèses

L’interaction des mouvements convectifs dans la couche convective externe des étoiles similaires au Soleil avec la rotation et le champ magnétique est à l’origine de l’apparition d’une dynamo qui est responsable des cycles d’activité magnétique. Ces cycles produisent des périodes de forte activité alternées par d’autres moins actives. Cette activité magnétique est très importante pour comprendre le développent et l’établissement de la vie comme on la connait sur Terre ainsi que pour pouvoir améliorer la détectabilité des planètes autour des étoiles actives. En effet, une des sources de bruit les plus importants pour pouvoir détecter et caractériser les atmosphères des planètes de faible masse comme la Terre autour des étoiles comme le Soleil est liée à la variabilité magnétique. Mieux comprendre et mieux caractériser cette variabilité est donc extrêmement importante pour l’exploitation scientifiques des données recueillies par les missions spatiales comme Kepler, TESS ou JWST de la NASA ainsi que les futurs satellites PLATO et ARIEL de l’ESA sur lesquelles le DAp/CEA est fortement impliqué dans son développement et exploitation. Grâce aux données de plus de 25 ans obtenues par le satellite ESA/NASA SoHO (toujours en vol au tour du Soleil), l’étudiant commencera par caractériser sismiquement les variations des couches le plus externes du soleil au cours des deux derniers cycles d’activité (23 et 24) couvrant déjà plus de 26 ans.

La deuxième partie de la thèse consistera à chercher des cycles d’activité dans les données de ~160,000 étoiles observées pendant 4 ans par le satellite Kepler et ainsi mieux préparer les outils nécessaires (incluent des techniques de "Machine Learning") pour obtenir ces cycles dans les données de la mission NASA TESS et pour la future mission ESA PLATO. En parallèle de ces études, l’étudiant participera à la caractérisation de bruit des étoiles à planètes candidates à des études d’atmosphères planétaires avec JWST et ARIEL, en collaboration avec d’autres membres du LDE3, pour mieux caractériser les modulations associées avec la rotation et au magnétisme de ces étoiles et ainsi permettre d’améliorer la caractérisation des atmosphères planétaires. Ces études pourraient être faits avec des données de TESS ou de suivi sol.

Le champ magnétique intergalactique qui baigne les vides cosmiques est très probablement une relique des premiers instants de l’Univers. Le but de cette thèse est de chercher les signatures de ce champ dans les observations de sursauts gamma à très haute énergie, et notamment de prédire les capacités du futur observatoire CTA à contraindre ses propriétés. Il s’agit d’un travail qui mêle étroitement modélisation théorique et analyse de données simulées de CTA.

Le James Webb Space Telescope (JWST) est en train de révolutionner notre connaissance des exoplanètes. Grâce à sa grande surface collectrice de lumière (25 m2) et à sa capacité d'observations spectroscopiques dans une grande gamme de longueurs d'onde (0.6 - 28 microns), le télescope permet de sonder l'atmosphère d'une large gamme d'exoplanètes, allant de Jupiters chauds à des planètes rocheuses tempérées. Grâce à notre forte implication dans le développement de l'instrument MIRI (Mid-InfraRed Instrument) du JWST, nous bénéficions de temps garanti d'observations et nous coordonnons le programme dédié à l'observation des exoplanètes. Les données fournies par le JWST sont d'une qualité remarquable.



Le travail de thèse consistera à réduire, analyser et interpréter les données fournies par le JWST pendant le cycle 1 et le cycle 2, à préparer des demandes de temps pour les cycles 3 et 4 à partir d'observations simulées. Le laboratoire est également très impliqué dans la mission Ariel. Un aspect de la thèse sera l'étude des synergies entre JWST et Ariel.

Le Milieu InterStellaire (MIS) est une intrication complexe de phases remplissant le volume d'une galaxie entre les étoiles. Il est constitué de : (i) gaz, principalement d'hydrogène (75%) et d'hélium (23%), mais aussi d'éléments plus lourds (C, N, O, etc. ; 1%) qui peuvent se trouver sous forme moléculaire ; et (ii) de grains de poussières (le 1% restant de la masse), qui sont de petites particules solides de tailles inférieures au micron. Le MIS est un constituant fondamental de l'Univers, puisque les étoiles naissent de l'effondrement de nuages interstellaires denses, et retournent une partie de leur masse, enrichie en éléments fraîchement synthétisés, à la fin de leur vie.



La poussière interstellaire est une composante particulièrement importante du MIS, car elle absorbe efficacement la lumière visible et la réémet thermiquement dans l'infrarouge. Certaines régions sont totalement opaques aux photons visibles et ne peuvent être sondées que par leur émission infrarouge. La poussière est également un agent important du chauffage du gaz par effet photo-électrique. C'est aussi le catalyseur pour la formation du dihydrogène, la molécule la plus abondante de l'Univers. Or, les propriétés des grains de poussière (composition, abondance, distribution de taille, etc.) sont encore mal connues. Cette incertitude entrave donc notre compréhension de la physique du milieu interstellaire, et par extension, celle de l'évolution des galaxies.



Ce projet de thèse a pour but de progresser dans notre compréhension des propriétés des grains, en se concentrant sur la variation de ces propriétés dans l'Univers proche. La poussière évolue en effet dans le MIS, et cette évolution dépend des conditions locales (densité du gaz, champ UV, etc.). Cette évolution peut être étudiée de manière empirique en modélisant les observations multi-longueurs d'onde, spatialement résolues à l'échelle de quelques centaines de parsecs, dans les galaxies proches.



Notre groupe a une grande expérience dans ce domaine. Nous conduisons actuellement un grand programme d'observation millimétrique de ces objets, avec l'instrument NIKA2 (https://irfu.cea.fr/dap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php’id_ast=4644). Nous avons récemment été la cheville ouvrière de la modélisation des distributions spectrales d'énergie du grand programme européen DustPedia (http://dustpedia.astro.noa.gr/’AspxAutoDetectCookieSupport=1). Nous avons par ailleurs développé un code unique d'ajustement de distributions spectrales d'énergie, utilisant une méthode bayesienne hiérarchique, HerBIE (Galliano, 2018 ; https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018MNRAS.476.1445G/abstract). Ce code nous a permis d'estimer les échelles de temps caractéristiques d'évolution des grains, sur des temps cosmiques (https://irfu.cea.fr/dap/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php’t=fait_marquant&id_ast=4929).



Le travail de thèse comportera deux volets. La première tâche consistera à développer le code HerBIE, en y incorporant la modélisation de l'émission des populations stellaires. En outre, cette modélisation devra être effectuée de manière cohérente avec la description de l'évolution chimique des galaxies. Il faudra de plus modéliser le transfert de rayonnement du rayonnement stellaire à travers le MIS, pour un grand nombre de topologies possibles. La deuxième partie de la thèse consistera à appliquer ce code aux observations multi-longueurs d'onde de galaxies proches, afin de mettre en évidence des tendances entre propriétés des grains et conditions physiques du MIS, et ainsi contraindre l'évolution de la poussière.

Avec ~5 000 exoplanètes connues (http://exoplanet.eu), il est clair que la diversité observée des exoplanètes est liée à leur histoire. Dans ce contexte, la science des exoplanètes est confrontée à deux questions clés. La première est de savoir comment l'évolution a pu modifier la composition globale des planètes. Cette question est d'actualité, car diverses installations (JWST, date de lancement : décembre 2021 ; ARIEL, lancement en 2028 ; E-ELT : première lumière en 2027) étudieront avec un détail sans précédent les atmosphères des exoplanètes par spectroscopie. La deuxième question est de savoir comment l'évolution a pu façonner la démographie des exoplanètes. Notamment, notre compréhension de la démographie a radicalement changé au cours de la dernière décennie, et continuera à évoluer grâce aux nouvelles découvertes des missions spatiales photométriques (par exemple TESS, PLATO) et aux relevés de vitesse radiale des principaux télescopes au sol.

L'assimilation de ces connaissances empiriques nécessite des modèles motivés physiquement qui relient les propriétés des planètes et de leurs étoiles hôtes tout au long de leur histoire commune. A cette fin, notre projet va construire un traitement sophistiqué du transfert radiatif (RT) pour les exoplanètes proches avec des atmosphères dominées par l'hydrogène ou non. Les modules de transfert radiatif seront mis en œuvre dans les modèles photochimiques et hydrodynamiques de l'équipe afin de mieux comprendre l'évolution temporelle des exoplanètes. Les prédictions aideront à interpréter les contraintes que le JWST établira sur la composition de quelques petites exoplanètes pour lesquelles du temps d'observation a été accordé dans le cadre des programmes GTO+GO.

L’objectif scientifique du satellite Franco-Chinois SVOM, dont le lancement est prévu pour fin 2023 en phase avec le début de la thèse proposée, est l’étude des sursauts gamma (GRBs), événements astrophysiques éphémères du ciel, libérant une énergie formidable sous forme de bouffées de rayons gamma provenant d’un point du ciel. Les missions précédentes se sont focalisées sur la détection de GRBs courts avec des durées moyennes de 1 s (resp. longs, émettant durant 10 s environ), associés à la coalescence d’objets compacts comme des étoiles à neutrons (resp. des supernovas d’étoiles très massives). Des cibles très prometteuses pour SVOM sont la classe des GRBs d’ultra-longue durée (avec une émission gamma jusqu’à 10000 s et dont l’origine reste une énigme), et les GRBs à des distances cosmologiques (à fort décalage vers le rouge, et donc détectables dans le domaine des basses énergies). Le télescope ECLAIRs à bord de SVOM est particulièrement bien adapté à l’observation de ce type de sursauts, grâce à son seuil de détection aussi bas que 4 keV et grâce au « trigger » sursauts gamma, le logiciel scientifique embarqué à bord du calculateur d’ECLAIRs, développé au CEA. Ce trigger détecte et localise les sursauts gamma à bord du satellite, demande son repointage pour les observations de suivi avec les autres instruments à bord, et alerte la communauté sol de l’apparition de l’événement. La thèse propose l’étude des premiers sursauts gamma observés par l’instrument ECLAIRs opérationnel en vol, en particulier les sursauts longs et d’ultra-longue durée et les sursauts riches en rayons X. Le thésard prendra part aux campagnes d’observation en vol et analysera les données produites par l’instrument. En particulier la compréhension du bruit de fond observé à basse énergie, y compris les sources connues référencées dans un catalogue bord, et l’analyse scientifique du fonctionnement du trigger sur les échelles de temps allant de 20 s à 20 min sont cruciaux pour augmenter le nombre de déclenchements sur ces sources novatrices.

L'objectif de ce projet de thèse est de développer tous les outils nécessaires pour une analyse efficace et fiable de l'effet de lentille gravitationnelle faible, et les corrélations croisées de lentille faible avec des galaxies, pour la mission spatiale d'Euclid. À partir des formes de galaxies mesurées par Euclid et des données spectroscopiques des galaxie par Euclid et d'autres relevés tels que BOSS, eBOSS et DESI, l'étudiant construira de divers estimateurs de lentille et de corrélations croisées.

Les combinaisons de ces observables en fonction de l'échelle angulaire, du redshift, et des propriétés des galaxies seront optimisées pour extraire au maximum les informations cosmologiques des données. De plus, une modélisation détaillée des effets systématiques sera effectuée pour contrôler et minimiser leur influence sur les résultats.



L'étudiant utilisera et développera des outils d'inférence statistique de point pour une inférence efficace des paramètres. Des prédictions théoriques d'observables à partir de modèles de l'histoire de l'expansion et l'Univers et de la structure à grande échelle seront créées dans un cadre de dérivation automatique, par example en utilisant la bibliothèque jaxcosmo, et en exploitant des calculs parallèles massifs sur les GPU. Cela offre la possibilité de calculer les

gradients de la vraisemblance pour accélérer l'inférence, et nous permettra d'utiliser des méthodes d'inférence (Bayésiennes) efficaces qui utilisent les gradients des modèles par rapport aux paramètres. En comparaison aux techniques d'échantillonnage traditionnelles, ces méthodes offrent une accélération significative du temps de calcul, et la possibilité d'explorer d'une façon efficace un grand nombre de paramètres. Ceci est important pour explorer des modèles de gravité non standard avec des paramètres supplémentaires et des modèles flexibles avec de nombreux paramètres de nuisance. Cela nous permet également d'inclure une modélisation détaillée des effets systématiques et d'ordre supérieur.

Le but de cette thèse est d'explorer l'Univers aux faibles brillances de surface sur un grand échantillon de galaxies dans les filaments cosmiques les plus proches (z<0.1) en exploitant les capacités uniques en imagerie et en spectroscopie de Euclid, mission qui sera lancée en 2023 par l’agence spatiale européenne et dans laquelle l’IRFU est fortement impliquée. Les simulations cosmologiques et les modèles théoriques prédisent une ségrégation morphologique des galaxies en bordure et au sein des grands filaments qui forment la toile cosmique, ainsi que des corrélations notables entre leur orientation et celle des grands filaments cosmiques. Cette ségrégation résulte d'effets de marée via i) la chute des galaxies vers les puits de potentiel gravitationnel creusés par la matière noire des filaments et ii) la circulation des galaxies au sein de ces mêmes filaments. À ce jour, cette signature n'a pas été explorée en détail dans l'Univers proche faute d'un grand relevé adéquat. Pourtant, comprendre ces alignements intrinsèques de galaxies a un double intérêt, non seulement pour comprendre la formation et l'évolution des galaxies en temps que tel (rôle de l’inné versus l’acquis) mais aussi car ces alignements polluent le signal cosmologique de cisaillement cosmique qui se manifeste par la mesure de déformations cohérentes des formes de galaxies. Ainsi, le télescope spatial Euclid permettra de contraindre les modèles d'évolution de l’Univers tout en apportant des éléments de réponse sur les alignements intrinsèques des galaxies qui affectent à plus haut redshift les mesures de cisaillement gravitationnel au coeur de la science première d’Euclid sur l'énergie sombre.

L'effet de lentille gravitationnelle faible, la distorsion des images de galaxies à haut décalage vers le rouge due aux structures de matière de premier plan à grande échelle, est l'un des outils les plus prometteurs de la cosmologie pour sonder le secteur sombre de l'Univers.



L'étudiant travaillera sur divers instruments à grand champ qui fournissent des relevés photométrique de galaxies :

- UNIONS (Ultraviolet Near-Infrared Optical Northern Sky survey), un grand relevé en cours qui observe le ciel du Nord dans 5 bandes.

- WFST (Wide-Field Survey Telescope). Ce télescope optique de 2,5 m en construction en Chine observera le ciel du Nord dans 5 bandes.

- CSST (Chinese Space Station Telescope). Ce télescope de 2 m, qui sera lancé en 2024 sur une orbite terrestre basse, observera une zone de 17500 deg2 dans 7 bandes optiques et proche UV.



En commençant par ShapePipe, un pipeline d'analyde de la lentille faible créé par notre groupe, l'étudiant développera de nouvelles méthodes pour analyser ces très larges jeux

de données. La précision statistique sans précédent nécessitera de nouvelles approches pour quantifier les erreurs systématiques observationnelles et instrumentales. Les observables astrophysiques et cosmologiques seront modélisées avec soin pour une inférence robuste et fiable des propriétés de la matière noire et de l'énergie noire à partir de données à faible lentille.

La cosmologie au 21e siècle vise à améliorer notre compréhension de l'Univers en cherchant à répondre à des questions ouvertes concernant la nature de la matière noire et de l'énergie noire, et le taux d'expansion précis de l'Univers. Afin d'aborder ces questions, il est essentiel de tirer parti de toutes les données rendues disponibles à l'ère actuelle de l'astronomie multi-messagers, en capitalisant sur les dernières avancées en matière de traitement du signal, d'apprentissage automatique et de traitement des données.

Les relevés optiques actuels et à venir, tels que KiDS-450 [1], le Dark Energy Survey Year 1 [2], le Vera C. Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time (LSST) [3] et Euclid [4], vont sonder des parcelles plus larges et plus profondes de l'Univers tardif pour améliorer les contraintes sur les paramètres cosmologiques en mesurant les formes et les distributions des galaxies. Ces dernières années, les interféromètres à ondes gravitationnelles, tels que LIGO et Virgo, ont poussé les observations astronomiques au-delà du spectre électromagnétique. Cela a permis de détecter l'interaction d'étoiles à neutrons distantes et de trous noirs.

Les longueurs d'onde radio fournissent une sonde complémentaire et indépendante de l'Univers des temps tardifs. La radioastronomie offre l'avantage de sonder des décalages vers le rouge plus élevés, d'avoir une fonction d'étalement ponctuel déterministe (PSF) et d'être moins sensible aux anisotropies PSF [7].Les relevés radio à venir, tels que le Square Kilometre Array (SKA), sont conçus pour atteindre une sensibilité et une vitesse de levé d'un ordre de grandeur supérieur à celles des instruments existants. SKA a le potentiel d'ajouter des contraintes supplémentaires importantes sur les paramètres cosmologiques compte tenu de la vaste zone de ciel qu'il couvrira (~ 75%). Ceci, cependant, se fait au prix d'avoir à gérer des échelles de données extrêmement importantes et une reconstruction d'image compliquée. SKA devrait produire environ 1 To de données par seconde. Avec des observations typiques prenant environ 6h et une durée de vie totale de 15 ans, SKA produira des données à l'échelle Exabyte (1018 octets), ce qui en fait l'un des plus gros problèmes de gestion de données dans la science moderne.

L'équipe CosmoStat a été pionnière dans l'utilisation des techniques de traitement du signal et d'apprentissage automatique pour résoudre les problèmes inverses dans la reconstruction d'images astronomiques. L'application de ces méthodes aux données radio-interférométriques apporte cependant une foule de nouveaux défis, en partie en raison de la complexité supplémentaire des problèmes inverses à résoudre, mais aussi en raison des dimensions extrêmement grandes du problème. Les approches conventionnelles d'apprentissage en profondeur ne pourront pas s'adapter à la taille typique d'un champ SKA, et le développement d'approches efficaces de modèle-parallélisme sera nécessaire.

We now know that the first massive groups and clusters were already forming in the first 2-3 billion years of the Universe’s history. Unlike their modern-day descendants, these fascinating systems contained often highly star-forming gas-rich galaxies that later on quenched (stopped forming stars) and transformed morphologically into ellipticals systems through processes that are not yet fully known. This include the recent discovery of peculiar systems with quenched disks and star-forming bulges, which could be seen as ‘anti-galaxies’ respect to the later-time typical objects that are quenched in the centres (bulges) and forming stars in the disks (like our Milky-Way Galaxy). Other exotic components that have been recently discovered are giant reservoirs of cold diffuse hydrogen, possibly connected to cold streams postulated by theory and never fully confirmed, and intracluster light, probably related to early phases of galaxy interactions and mergers that stand in contradiction with current model predictions. The Euclid satellite, with a strong participation from France and CEA/AIM, will be launched in 2023, and will provide ideal ultra-deep multi-wavelength imaging in the optical and near-IR, together with ancillary data at longer wavelengths, to identify the first generation of galaxy groups and clusters that started forming in the distant Universe and study the different exciting physical phenomena that are occurring in dense environments at early times. The PhD student will join Euclid teams and will lead research into these problematics in collaboration with the group in CEA Saclay.

Alors que l’Univers est en expansion, à une vitesse croissante, la question de savoir ce qui cause l’accélération cosmique n’est pas encore résolue. L’accélération semble agir contre l’attraction gravitationnelle, comme si une nouvelle source d’énergie, l’énergie sombre, en était responsable. De plus, les masses de neutrinos doivent encore être mesurées et dégénèrent avec l'évolution de l'énergie sombre.

Cette proposition de doctorat est destinée à contribuer à la mission spatiale Euclid de l’ESA, qui sera lancé en 2023. L'objetif est de combiner l'information obtenue avec le regroupement des galaxies et le lentillage gravitationnel faible et l'intégrer ensuite dans la vraisemblance validée par le Consortium Euclid.

Le doctorant pourra travailler à l’interface entre les données et la théorie et collaborer concrètement à une grande collaboration comme celle du satellite Euclid. Les objectifs comprennent 1) étendre le logiciel de vraisemblance pour tester l’énergie sombre 2) contribuer à l'effort de collaboration sur la comparaison des prédictions théoriques avec les données et la corrélation croisée entre le regroupement des galaxies et le lentillage gravitationnel faible 3) étudier différents statistiques pour briser la dégénérescence entre les masses de neutrinos et l'évolution de l'énergie sombre.

Les exoplanètes sont maintenant observées en grand nombre et autour d'étoiles aux propriétés variées. Berceaux du développement de la vie, il est essentiel de comprendre les processus physiques conduisant à leur formation mais aussi les conditions initiales qui prévalent lors des toutes premières étapes de leur assemblage afin de contraindre les modèles de genèse planétaire.

Les observations récentes de disques protopanétaires suggèrent que certaines planètes puissent déjà être formées autour d'étoiles très jeunes, seulement un million d'années après le début du processus de formation stellaire: il semble donc crucial d'explorer les phases les plus précoces de la formation des étoiles de type solaire à la recherche des signatures de l'assemblage des poussières en petits planétésimaux.

Récemment, notre équipe a obtenu des premiers indices observationnels que les particules de poussière autour des plus jeunes proto—étoiles de notre Galaxie pourraient déjà avoir évolué de manière significative avec des grains peut-être déjà grands de quelques microns. Si ces résultats sont confirmés, alors le scénario de formation des planétésimaux devra être revisité en prenant en compte l’impact de ces conditions initiales très différentes de celles qui règnent dans les disques autour d’étoiles T-Tauri, lors des premières phase de croissance de la poussière.



Le sujet de thèse s’inscrit dans une approche concertée utilisant observations et modèles pour caractériser la taille des grains de poussières autour de proto-étoiles âgées de seulement quelques centaines de milliers d’années.

Il s'agira d'analyser des jeux de données obtenues avec le radiotélescope ALMA pour mesurer les indices spectraux de l'émission continuum des grains de poussières entourant les protoétoiles de Classe 0 et I.

Des contraintes complémentaires seront obtenues en ondes millimétriques grâce aux données polarimétriques issues d’un grand programme d’observations avec le télescope NOEMA, très sensibles à la taille des plus gros grains de poussière.

La mise en place dans la collaboration d’un nouveau modèle de poussières plus adapté aux phases denses, couplé à un code de transfert radiatif, permettra ensuite de comparer directement ces données observationelles à des prédictions synthétiques issues de modèles MHD d’évolution protostellaire.

Les systèmes binaires X (ou microquasars) représentent d’excellents laboratoires pour tester les phénomènes physiques dans les environnements les plus extrêmes. Composés d’un astre compact (trou noir ou étoile à neutrons) accrétant de la matière d’une étoile compagnon, ils sont observés depuis plusieurs années à diverses longueurs d’onde permettant ainsi de caractériser un ensemble d’activités complexes. Une physique très variée s’ouvre ainsi aux modélisateurs.



Le but de cette thèse sera d'étudier les activités de trous noirs binaires récemment découverts dans notre Galaxie. L'objectif principal est de comprendre les connexions entre processus d’accrétion et d’éjection, mais plus particulièrement de contraindre l’énergie des jets relativistes à partir des mesures calorimétriques faites lors de leurs interactions avec le milieu environnant. La modélisation de telles interactions apporte de nouvelles contraintes sur le bilan énergétique des trous noirs, informations primordiales pour la compréhension de ces systèmes.

Cette thèse, entièrement financée par ArianeEspace (CIFRE), a pour but de développer un détecteur qui monitorera les particules chargées lors des passages des ceintures de radiation par une fusée. En effet, actuellement aucune mesure active n'est prévue lors du passage d'une fusée Ariane dans les ceintures de radiation pour prévenir les électroniques de bord. Seul sont considérées des électroniques avec un haut taux de résistance aux radiations. Le détecteur pourrait signaler l'entrée dans les ceintures et ainsi impliquer des procédures spéciales pour la fusée. Ces détecteurs pourraient être aussi utilisés pour les missions martiennes pour envisager des procédures de sécurité lors d'un début d'éruption solaire en cours de voyage (mise en confinement de l'équipage, arrêt de certaines électroniques critiques, ...). Le candidat devra déterminer le meilleur design de détecteur du fait des contraintes liées à la fusée et à l'environnement spatial et construire un premier prototype qui sera testé en accélérateur de particules.