Caliste-3D CZT: développement d’un spectro-imageur gamma miniature, monolithique et hybride à efficacité améliorée dans la gamme 100 keV à 1 MeV et optimisé pour la détection de l’effet Compton et la localisation sous-pixel

L’observation multi-longueur d’onde des sources astrophysiques est la clé d’une compréhension globale des processus physiques en jeu. En raison de contraintes instrumentales, la bande spectrale de 0,1 à 1 MeV est celle qui souffre le plus d’une sensibilité insuffisante de détection dans les observatoires existants. Ce domaine permet d’observer les noyaux actifs de galaxies les plus enfouis et les plus lointains pour mieux comprendre la formation et l’évolution des galaxies à des échelles cosmologiques. Il relève des processus de nucléosynthèse des éléments lourds de notre Univers et l’origine des rayons cosmiques omniprésents dans l’Univers. La difficulté intrinsèque de la détection dans ce domaine spectral réside dans l’absorption de ces photons très énergétiques après des interactions multiples dans le matériau. Cela requiert une bonne efficacité de détection mais également une bonne localisation de toutes les interactions pour en déduire la direction et l’énergie du photon incident. Ces enjeux de détection sont identiques pour d’autres applications à fort impact sociétal et environnemental : le démantèlement et l’assainissement des installations nucléaires, le suivi de la qualité de l’air, la dosimétrie en radiothérapie.
Cette thèse d’instrumentation a pour objectif de développer un détecteur « 3D » polyvalent, exploitable dans les domaines de l’astrophysique et de la physique nucléaire, avec une meilleure efficacité de détection dans la gamme 100 keV à 1 MeV et des évènements Compton, ainsi que la possibilité de localiser les interactions dans le détecteur à mieux que la taille d’un pixel.
Plusieurs groupes dans le monde, dont le nôtre, ont développé des spectro-imageurs X dur à base de semi-conducteurs haute densité pixélisés pour l’astrophysique (CZT pour NuSTAR, CdTe pour Solar Orbiter et Hitomi), pour le synchrotron (Hexitec UK, RAL) ou pour des applications industrielles (Timepix, ADVACAM). Leur gamme d’énergie reste toutefois limitée à environ 200 keV (sauf pour Timepix) en raison de la faible épaisseur des cristaux et de leurs limitations intrinsèques d’exploitation. Pour repousser la gamme en énergie au-delà du MeV, il faut des cristaux plus épais associés à des bonnes propriétés de transport des porteurs de charge. Cela est actuellement possible avec du CZT, mais nécessite néanmoins de relever plusieurs défis.
Le premier défi était la capacité des industriels à fabriquer des cristaux de CZT homogènes épais. Les avancées dans ce domaine depuis plus de 20 ans nous permettent aujourd’hui d’envisager des détecteurs jusqu’à au moins 10 mm d’épaisseur (Redlen, Kromek).
Le principal défi technique restant est l’estimation précise de la charge générée par interaction d’un photon dans le semi-conducteur. Dans un détecteur pixélisé où seules les coordonnées X et Y de l’interaction sont enregistrées, augmenter l’épaisseur du cristal dégrade les performances spectrales. Obtenir l’information de profondeur d’interaction Z dans un cristal monolithique permet théoriquement de lever le verrou associé. Cela nécessite le déploiement de méthodes expérimentales, de simulations physiques, de conception de circuits de microélectronique de lecture et de méthodes d’analyse de données originales. De plus, la capacité à localiser les interactions dans le détecteur à mieux que la taille d’un pixel contribue à résoudre ce défi.

Etude de l'inflation avec des quasars et de galaxies dans DESI

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 stratégie pour étudier les LLS, consiste à utiliser un relevé spectroscopique, DESI, dont l’instrument a été mis en service à la fin de l'année 2019. DESI observera 40 millions de galaxies et de quasars. Les observations ont lieu au télescope Mayall de 4 m en Arizona. Depuis le printemps 2021, le projet a débuté une période d’observation sans interruption qui durera 5 ans, ce qui permettra de couvrir un quart de la voute céleste.

Pour ce projet de thèse, les LSS sont mesurées avec deux traceurs de la matière : les galaxies très lumineuses rouges (LRG) et les quasars, objets très lointains et très lumineux. Ces deux traceurs nous permettent de couvrir une large plage en redshift allant de 0.4 à 4.0.

Au cours de sa première année de thèse, l’étudiant participera à la fin de l’analyse de la première année d’observation. Il étudiera en particulier, la structuration à grandes échelles avec des quasars et des galaxies (LRG). Son travail consistera aussi à évaluer toutes les sources possibles de biais dans la sélection des quasars et des LRG qui pourraient contaminer un signal cosmologique. Dans un deuxième temps, l’étudiant développera une analyse plus sophistiquée qui mettra en œuvre les statistiques à trois points comme le bispectre et qui sera étendue à un échantillon plus important représentant les trois premières années d’observation de DESI.

Détecter les premiers amas de galaxies de l'Univers dans les cartes du fond diffus cosmologique

Les amas de galaxies, situés aux nœuds de la toile cosmique, sont les plus grandes structures de l’Univers liées par la gravitation. Leur nombre et leur distribution spatiale sont très sensibles aux paramètres cosmologiques, comme la densité de matière dans l’Univers. Les amas constituent ainsi une sonde cosmologique performante. Elle a fait ses preuves ces dernières années (sondages Planck, South Pole Telescope, XXL, etc.) et promet de grandes avancées les prochaines années (sondages Euclid, Observatoire Vera Rubin, Simons Observatory, CMB-S4, etc.).
Le pouvoir cosmologique des amas de galaxies s’accroît avec la taille de l’intervalle de décalage vers le rouge (redshift) couvert par le catalogue. Le figure jointe montre les domaines de redshift couverts par les catalogues d’amas extraits des expériences d’observation du fond diffus cosmologique (première lumière émise dans l’Univers 380000 ans après le Big Bang). Ainsi, Planck a détecté les amas les plus massifs de l’Univers dans 0<z<1 alors que SPT et ACT, plus sensibles mais couvrant moins de ciel, ont déjà détecté des dizaines d’amas entre z=1 et z=1.5 et quelques amas entre z=1.5 et z=2. La prochaine génération d’instruments (Simons Observatory à partir de 2024 et CMB-S4 à partir de 2032) permettra de détecter de façon routinière les amas dans 1<z<2 et observera les premiers amas formés dans l’Univers dans 2<z<3.
Seules les expériences étudiant le fond diffus cosmologique pourront observer le gaz chaud dans ces premiers amas à 2<z<3, grâce à l’effet SZ, du nom de ses deux découvreurs Sunyaev et Zel’dovich. Cet effet, dû aux électrons de grande énergie du gaz des amas, provoque une petite perturbation du spectre en fréquence du fond diffus cosmologique, ce qui le rend détectable. Mais le gaz n’est pas la seule composante émettrice dans les amas : des galaxies à l’intérieur des amas émettent aussi en radio ou en infrarouge ce qui contamine le signal SZ. Cette contamination est faible à z<1 mais augmente drastiquement avec le redshift. On s’attend à ce que ces émissions radio et infrarouge soient du même ordre de grandeur que le signal SZ dans l’intervalle 2<z<3.
Il faut donc essayer de comprendre et modéliser l’émission du gaz des amas en fonction du redshift, mais aussi celle des galaxies radio et infrarouge qu’ils contiennent pour pouvoir préparer la détection des premiers amas de galaxies de l’Univers.
L’Irfu/DPhP a développé les premiers outils de détection d’amas de galaxies dans les données du fond diffus cosmologique dans les années 2000. Ces outils ont été utilisés avec succès sur les données Planck et sur les données sol, comme celles de l’expérience SPT. Ils sont efficaces pour détecter les amas de galaxies dont l’émission est dominée par le gaz mais leur performance est inconnue dans le cas où l‘émission par les galaxies radios et infrarouges est importante.
Le travail de thèse consistera dans un premier temps à étudier et modéliser les émissions radio et infrarouge des galaxies des amas détectés dans les données du fond diffus cosmologique (Planck, SPT et ACT) en fonction du redshift.
Dans un second temps, on quantifiera l’impact de de ces émissions sur les outils de détection d’amas existants, dans le domaine de redshift actuellement sondé (0<z<2) puis dans le domaine de redshift futur (2<z<3).
Enfin, à partir de notre connaissance acquise sur ces émissions radio et infrarouge des galaxies dans les amas, on développera un nouvel outil d’extraction d’amas destiné aux amas à grand redshift (2<z<3) pour maximiser l’efficacité de détection et la maîtrise des effets de sélection, i.e. le nombre d’amas détecté par rapport à au nombre total sous-jacent.

ETUDE DU CENTRE GALACTIQUE ET RECHERCHES D’EMISSION DIFFUSES EN RAYONS GAMMA DE TRES HAUTE ENERGIE AVEC H.E.S.S. ET PERSPECTIVES POUR CTA

Les observations en rayons gamma de très hautes énergies (>100 GeV) sont cruciales pour la compréhension des phénomènes non-thermiques les plus violents à l’oeuvre dans l’Univers. Ces
rayons gamma permettent d’étudier des questions fondamentales sur un vaste éventail de sujets comme les trous noirs supermassifs, l’origine des rayons cosmiques, et la recherche de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. Les observations multi-longueur d’ondes du centre de la Voie Lactée dévoilent une région complexe et active avec l’accélération de rayons cosmiques à des énergies au-delà du TeV au sein d’objets astrophysiques comme le trou noir supermassif Sagittarius A* au centre de la Voie Lactée, des vestiges de supernova ou des régions de formation d’étoiles. Le Centre Galactique (CG) est l’une des régions du ciel les plus étudiées dans de nombreuses longueurs d’onde, et a fait l’objet de temps d’observations parmi les plus conséquents avec les observatoires haute énergie. Au-delà de la diversité d’accélérateurs astrophysiques, la région du CG devrait être la source la plus brillante d’annihilations de particules de matière noire en rayons gamma.
Le CG abrite un Pevatron cosmique, i.e., un accélérateur de rayons cosmiques jusqu’à des énergies du PeV, des émissions diffuses du GeV au TeV dont le « Galactic Center Excess » (GCE)
dont l’origine est encore inconnue, de potentielles sources variables au TeV, ainsi que possibles populations de sources non encore résolues. L’interaction d‘électrons accélérés au sein de ces
objets produit des rayons gamma de très hautes énergies par diffusion Compton inverse des électrons sur les champs de radiation ambiants. Ces rayons gamma peuvent être aussi produits à
travers la décroissance de pions neutres produits lors de l’interaction inélastique de protons/noyaux avec le gaz ambiant. Parmi les populations de sources non résolues au CG se trouvent une
population de pulsars millisecondes dans le bulbe Galactique ou encore une population de trous noirs de masses intermédiaires (~20-10^5 Msun) suivant la distribution de matière noire du halo. De l’ordre de 10^3 sources permettraient d’expliquer le GCE. De telles populations de sources laisseraient des empreintes caractéris-tiques dans les fluctuations spatiales du bruit de
fond pour lesquelles les balayages de la région du CG en rayons gamma au TeV avec les observatoires H.E.S.S. et le futur CTA constituent un outil unique pour les rechercher.
L’observatoire H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System) composé de cinq télescopes à effet Cherenkov atmosphérique, détecte des rayons gamma de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. Depuis 2004, H.E.S.S. observe du CG, avec récemment une campagne d’observation sur plusieurs degrés autour du CG. L’ensemble des données accumulées jusqu’à présent fournit une sensibilité sans précédent pour étudier l’accélération et la propagation de rayons cosmiques, et rechercher des signaux diffus de matière noire dans la région la plus prometteuse du ciel. Ces observations et études sont primordiales pour préparer les programmes d’observations du futur observatoire CTA, optimiser leur mise en oeuvre, et préparer leurs futures analyses.
La thèse portera sur l’analyse et l’interprétation des observations effectuées dans la region centrale de la Voie Lactée avec l’observatoire H.E.S.S. depuis plus de 20 ans. La première partie du travail sera dédiée à l'analyse bas-niveau des données du Centre Galactique, l'étude des incertitudes systématiques dans ce jeu de données massifs, et le développement de modèles de bruit de fond dédié. Dans une seconde partie, l'étudiant(e) combinera l’ensemble des données des phases 1 et 2 de H.E.S.S. pour rechercher des émissions diffuses Galactiques au TeV, des populations de sources non résolues et des signaux de matière noire à l'aide de techniques d'analyse utilisant des patrons pour le signal et le bruit de fonds. La troisième partie portera sur l’implémentation du nouveau cadre d’analyse pour le futur observatoire CTA pour préparer les analyses à venir en utilisant les patrons de signal et de bruit de fond les plus à jour. L'étudiant(e) sera impliqué(e) dans la prise de données et la sélection des observations H.E.S.S.

Analyse multi-messager des explosions de supernovae

Les supernovae à effondrement de cœur jouent un ro^le pivot dans l’e´volution stellaire des e´toiles massives, la naissance des e´toiles a` neutrons et des trous noir, et l’enrichissement chimique des galaxies. Comment explosent-elles ? Le me´canisme d’explosion peut e^tre e´claire´ par l’analyse des signaux multi-messager: la production de neutrinos et d’ondes gravitationnelles est module´e par les instabilite´s hydrodynamiques pendant la seconde qui suit la formation d’une proto-e´toile a` neutrons.
Cette thèse propose d’utiliser la comple´mentarite´ des signaux multi-messager d’une supernova à effondrement de cœur, a` la lumie`re des simulations nume´riques de la dynamique de l’effondrement et de l'analyse perturbative, pour en extraire les informations physiques sur le me´canisme d’explosion.
Le projet abordera plus spe´cifiquement les proprie´te´s multi-messager de l'instabilite´ du choc stationnaire ("SASI") et de l'instabilité de corotation ("low T/W") pour un proge´niteur en rotation. Pour chacune de ces instabilite´s, les informations de composition des neutrinos et de polarisation des ondes gravitationnelles seront exploite´es, ainsi que la corre´lation entre ces signaux.

Mesurer la formation des galaxies primordiales massives avec le télescope spatial James Webb (JWST)

Le télescope spatial James Webb (JWST) révolutionne notre vision du premier milliard d'années après le big bang, en nous permettant de détecter les galaxies primordiales formées par l'effondrement des premières surdensités de l'Univers. Les études initiales des propriétés de ces galaxies, en partie réalisées par notre équipe, ont révélé que leur formation est encore largement incomprise et potentiellement en tension avec le modèle cosmologique standard (LCDM). En effet, ces études ont mis en évidence un excès potentiel de galaxies massives primordiales, impliquant une croissance accélérée de ces galaxies à des efficacités de formation d'étoiles bien au-delà des prédictions des modèles théoriques. Avant d'invoquer des modèles cosmologiques et d'évolution des galaxies radicalement différents, il est néanmoins nécessaire de confirmer ces tensions, qui ne reposent actuellement que sur des mesures très incertaines de la masse stellaire de quelques galaxies.
Cette thèse aura pour objectif de confirmer ou infirmer ces tensions en contraignant pour la première fois de manière solide la masse stellaire d’un large échantillon statistique de galaxies primordiales. Pour ce faire, nous combinerons les données de quatre relevés extragalactiques du JWST avec une approche statistique originale d’empilement d’images nous permettant d’obtenir la masse stellaire moyenne des galaxies primordiales qui sont autrement trop faibles pour être détectées individuellement par le JWST dans la fenêtre critique de l’infrarouge moyen. Ces informations, ainsi que celles obtenues sur leur activité de formation d'étoiles, seront déterminantes pour comprendre la croissance des premières galaxies de l’Univers.

Analyse de données et physique fondamentale avec LISA et Pulsar Timing Array

Il existe deux types d'instruments pour observer les ondes gravitationnelles (GW) à basse fréquence : l'interféromètre spatial dans la bande des milliHertz (mHz) LISA et le Pulsar Timing Array (PTA) dans la bande des nanoHertz (nHz). Ils sont complémentaires soit en observant deux parties des mêmes sources comme pour les fonds stochastiques, soit deux parties de la même population de sources comme pour les binaires de trous noirs massifs.
LISA est un observatoire spatial GWs dont le lancement est prévu en 2035. Il se compose de trois satellites en chute libre sur une orbite héliocentrique formant un triangle équilatéral. Les satellites échangent de la lumière laser formant de multiples interféromètres permettant d'observer une pléthore de sources astrophysiques et cosmologiques de GW. Ces sources incluent des binaires de naines blanches galactiques, des inspirals à rapport de masse extrême, des binaires de trous noirs massifs et des fonds stochastiques.
PTA utilise le timing des pulsars millisecondes pour observer les GW. Les pulsars millisecondes émettent environ des centaines d'impulsions radio par seconde avec une très grande régularité. Les GW passant entre le pulsar et la Terre modifient le temps d'arrivée des impulsions. La synchronisation d'un réseau de pulsars permet de réaliser un détecteur GW à l'échelle galactique. De multiples radiotélescopes contribuent au PTA, notamment le Radiotélescope de Nançay. En juin 2023, 4 collaborations PTA ont annoncé les résultats de 20 ans de chronométrage des pulsars : une preuve solide d'un signal GWs. Le signal doit encore être caractérisé et son origine établie. Il pourrait avoir été émis par un ensemble de trous noirs supermassifs ou par des processus survenus dans l'Univers primordial. Si les deux systèmes d'observation sont différents, les méthodes d'analyse des données sont similaires. Un grand espace de paramètres doit être échantillonné pour extraire les sources qui se chevauchent et les démêler des bruits non stationnaires.
Les GW sont une nouvelle façon d'en apprendre davantage sur la physique fondamentale. Par exemple, nous pouvons tester la relativité générale avec la fusion des trous noirs supermassifs binaires et inspirals à rapport de masse extrême et tester la physique des particules au-delà du modèle standard, grâce à la détection du fond stochastique (SGWB) des transitions de phase dans l'Univers primitif. Le candidat travaillera au CEA-IRFU (Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers) au sein d'une équipe transdisciplinaire menant des recherches sur les GW. Cette activité va de l'implication instrumentale dans la mission LISA aux conséquences astrophysiques ou cosmologiques de l'exploitation des signaux, en passant par le développement d'algorithmes, de simulations et d'analyses de données. L'Irfu est également impliqué dans PTA-France et International PTA. Développer des méthodes de détection des sources d'ondes gravitationnelles et détecter les conséquences physiques associées est au coeur du sujet de thèse proposé. Le candidat aura l'occasion de s'intéresser à tous les aspects de l'activité de l'équipe d'accueil et d'interagir avec chacun de ses membres. Les principaux objectifs des travaux proposés sont de développer des méthodes d'analyse de données pour LISA, en tirant parti des développements de PTA et LISA, et d'étudier la synergie entre les observations LISA et PTA pour la physique fondamentale, notamment avec les SGWB et les Trous Noirs Massifs (MBH). . Les méthodes développées peuvent également être adaptées et appliquées à des données PTA réelles. Le candidat sera membre des collaborations LISA, PTA-France, EPTA et IPTA. Il/elle interagira avec les membres du Groupement de Recherche Ondes Gravitationnelles et collaborera avec des physiciens du laboratoire Astroparticules et Cosmologie (APC). Il présentera ses résultats au sein des consortiums LISA et PTA et lors de conférences internationales.

Comprendre la formation des bulbes à partir des informations morphologiques et cinématiques du JWST

Les bulbes actuels des galaxies spirales et des galaxies elliptiques contiennent de très vieilles étoiles et on pense qu'ils se sont formés au début de l'Univers. La manière dont cela s'est produit en pratique n'est pas bien comprise: les processus physiques les plus importants en jeu ne sont pas encore clairs. Au cours de la dernière décennie, les preuves de l'existence de galaxies compactes à éclatement d'étoiles se sont multipliées et pourraient être des indices de bulbes pris au moment de leur formation. Plus récemment, grâce aux nouvelles découvertes de notre groupe basées sur le JWST, un certain nombre d'autres résultats déroutants se sont accumulés, actuellement difficiles à expliquer : A) ces galaxies à explosion d'étoiles sont toujours intégrées dans des systèmes plus vastes, semblables à des disques, qui sont moins actifs mais contiennent la majeure partie de la masse stellaire existante, comme s'il n'y avait pas eu de formation de bulbes "nus" ; B) dans certains cas, les disques extérieurs ont en fait cessé de former des étoiles, représentant ainsi des cas d'extinction progressant de l'extérieur vers l'intérieur, inversant le schéma standard plus familier (tel qu'observé dans les spirales locales et la Voie lactée, où le centre est éteint et les périphéries forment des étoiles) ; C) les disques sont souvent fortement déséquilibrés dans leur distribution de masse stellaire, une caractéristique qui devient de plus en plus dominante lorsque l'on regarde les époques antérieures. Cette phénoménologie est actuellement inexpliquée. Elle pourrait être liée à l'activité de fusion, à l'accrétion de gaz ou à des effets de rétroaction. S'il s'agit de bulbes en formation, on ne sait pas comment ils évolueraient dans les bulbes et les galaxies elliptiques actuels. Néanmoins, ces nouvelles observations promettent une percée dans la compréhension de la formation des bulbes si des progrès supplémentaires peuvent être réalisés et si de nouvelles informations sont recueillies. Nous proposons un projet de doctorat dans lequel l'étudiant utilisera les données d'imagerie et de spectroscopie du JWST pour éclairer ces questions. L'imagerie provenant des relevés publics profonds et ultra-profonds qui s'accumulent sera utilisée pour augmenter les statistiques et asseoir sur des bases plus solides les premiers résultats obtenus jusqu'à présent. La spectroscopie du JWST est la clé d'une compréhension détaillée de systèmes spécifiques, fournissant des informations sur la cinématique des noyaux d'étoiles compactes en explosion ainsi que des disques extérieurs : si ces sous-systèmes sont en co-rotation sans perturbations majeures, ils devraient connaître une évolution non violente, liée à l'accrétion de gaz. Au contraire, des sous-systèmes en contre-rotation ou des perturbations cinématiques trahiraient des événements de fusion. Ce type de test n'a pas encore été réalisé. Nous utiliserons une spectroscopie ciblée en partie déjà disponible dans le cadre du projet de diffusion rapide CEERS dont nous sommes membres, dans les grandes archives qui s'accumulent et dans des propositions spécifiques (en attente et à soumettre dans les cycles futurs).

L'exploitation des données NIKA2 de galaxies proches : une fenêtre sur l'évolution des nanoparticules interstellaires

Les nanoparticules interstellaires sont une composante cruciale des galaxies, car elles absorbent et ré-émettent le rayonnement stellaire, contrôlent le chauffage et le refroidissement du gaz, catalysent des réactions chimiques et régulent la formation d'étoiles. L'abondance, la composition, la structure et la distribution de taille de ces petites particules solides, qui sont mélangées au gaz interstellaire, sont cependant mal connues. Elles évoluent en effet dans le milieu interstellaire et présentent des différences systématiques parmi les galaxies. Il est donc crucial d'obtenir des contraintes détaillées et analysées en détail sur ces propriétés. Les progrès dans ce domaine sont absolument nécessaires pour interpréter correctement les observations de régions de formations d'étoiles proches et les galaxies distantes, ainsi que pour modéliser précisément la physique interstellaire.

Les propriétés optiques à grande longueur d'onde du mélange de nanoparticules, dans le domaine millimétrique, ont un intérêt particulier. Cette fenêtre spectrale est actuellement la moins bien connue. Pourtant, l'opacité millimétrique des grains a une importance centrale, puisque les estimations de masse basée sur l'ajustement de la distribution spectrale d'énergie reposent principalement sur cette quantité. Un biais ou une évolution systématique de l'opacité millimétrique se traduira directement dans une inexactitude dans la masse de nanoparticules, qui est souvent utilisée pour inférer la masse de gaz d'une région ou d'une galaxie.

Notre programme de temps garanti, IMEGIN (Interpreting the Millimeter Emission of Galaxies at IRAM with NIKA2 ; resp. Madden ; 200 heures), avec la caméra NIKA2 au radiotélescope de 30-m de l'IRAM, a complètement cartographié 20 galaxies proches à 1.2 mm et 2 mm. De plus, notre temps de programme ouvert, SEINFELD (Submillimeter Excess In Nearby Fairly-Extended Low-metallicity Dwarfs ; resp. Galliano ; 36 heures), est en train de compléter notre échantillon à faible métallicité (la métallicité étant la fraction de masse des éléments plus lourds que l'hélium). Ces données nouvelles et exceptionnelles sont les première images de bonnes qualité de galaxies résolues aux longueurs d'onde millimétriques, et nous permettent d'étudier la manière dont varient les propriétés des grains avec les conditions physiques.

Le but de ce projet de thèse est de combiner ces observations avec d'autres données multi-longueurs d'onde, déjà existantes (en particulier, WISE, Spitzer et Herschel), dans le but de démontrer comment l'opacité millimétrique dépend des conditions physiques locales. La première étape consistera à traiter et homogénéiser les données. L'étudiant aura aussi l'opportunité de participer à notre campagne d'observations à Pico Veleta. Dans un second temps, l'étudiant modélisera l'émission spatialement résolue, en utilisant notre code bayésien hiérarchique à l'état de l'art, HerBIE. Cela permettra à l'étudiant de produire des cartes des propriétés des nanoparticules et de les comparer avec les cartes des conditions physiques. Finalement, ces résultats seront utilisés pour modéliser les échelles de temps caractéristiques d'évolution, sous les effets du champ de rayonnement et de l'accrétion de gaz. Les mesures de laboratoire récemment produites par le groupe de Toulouse seront mises à profit. Ce travail sera effectué au sein de la collaboration internationale IMEGIN.

Etude numérique des supernovae à effondrement de coeur

Contexte : Il s'agit d'étude numérique de supernovae à effondrement de cœur. Au centre de l'étoile, le phénomène de supernova commence par un effondrement. Quand la matière dépasse la densité nucléaire, elle devient très dure, et la matière en effondrement rebondit dessus comme sur un mur. Ce phénomène crée un choc qui se propage puis s'arrête. La situation est alors la suivante : le choc est stationnaire. D'un côté, le chauffage par les neutrinos venant du centre dense et chaud tend à faire repartir celui-ci et faire exploser l'étoile. D'un autre côté, le reste de l'étoile continue à s'effondrer, ce qui pousse le choc vers le centre de l'étoile et vers l'effondrement en trou noir. Savoir quels progéniteurs (quelles étoiles massives) explosent et lesquels forment des trous noirs est un sujet actif de recherche : il n'existe pas de moyen simple et absolument fiable, sans faire de simulation numérique détaillée, de savoir si un progéniteur donné explose ou forme un trou noir.

Objectifs physiques : Connaître la physique des supernovae, la physique stellaire, et également la physique des étoiles à neutrons et des trous noirs. Savoir développer dans un code de physique numérique. Connaître le lien entre la physique numérique et la physique des lasers.

Déroulement : L'étudiant(e) se familiarisera avec l'hydrodynamique radiative avec des neutrinos, ceci dans un contexte relativiste. Il(elle) pourra enrichir ses connaissances en relativité générale. Une possibilité de reproduire certains aspects des explosions de supernovae en laboratoire avec des expériences laser sera étudiée. Le lien possible entre progéniteur (l'étoile massive sur le point de s'effondrer) et explosion (si l'étoile explose ou si elle forme un trou noir sans parvenir à exploser) sera étudié numériquement en détails. L'étudiant(e) construira des progéniteurs simplifiés où il(elle) pourra faire varier certains paramètres. Enfin, de nombreuses pistes existent pour améliorer cette première étude : implémentation d'autres méthodes numériques, passage en 3d, implémentation de nucléosynthèse, etc. L'étudiant(e) pourra également suggérer ses propres pistes.

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