Ce projet de thèse vise à mieux comprendre la turbulence du milieu interstellaire, un phénomène clé pour la formation des étoiles et des structures galactiques. Cette turbulence, à la fois magnétisée, supersonique et multiphasique, influence la manière dont l’énergie se propage et se dissipe, régulant ainsi l’efficacité de la formation stellaire à travers l’histoire de l’Univers. Son étude est complexe car elle implique une vaste gamme d’échelles spatiales et temporelles, difficile à reproduire numériquement. Les progrès du calcul haute performance, notamment l’arrivée des supercalculateurs exascale à GPU permet désormais d’envisager des simulations beaucoup plus fines.

Le code Dyablo, développé à l’IRFU, sera utilisé pour réaliser des simulations tridimensionnelles de très grande taille, avec un maillage adaptatif pour affiner les zones de dissipation d’énergie. L’étude progressera par étapes : d’abord des écoulements simples et isothermes, puis des modèles incluant chauffage, refroidissement, champ magnétique et gravité. Les propriétés turbulentes seront analysées via spectres de puissance, fonctions de structure et distributions de densité, afin de mieux comprendre la formation des zones denses propices à la naissance des étoiles. Enfin, une extension du travail à l’échelle galactique, en collaboration avec d’autres instituts français, visera à explorer la cascade d’énergie turbulente à grande échelle dans les galaxies entières.

Le télescope spatial James Webb (JWST), lancé par la NASA le 25 décembre 2021, révolutionne notre compréhension du cosmos, en particulier dans le domaine des exoplanètes. Avec plus de 6 000 exoplanètes détectées, on découvre des mondes très variés, dont certains sans équivalent dans notre Système solaire, comme les « hot Jupiters » ou les « super-Terres ». JWST permet désormais la caractérisation détaillée des atmosphères exoplanétaires grâce à ses instruments spectroscopiques couvrant de 0,6 à 27 µm et sa grande surface collectrice de lumière (25 m²). Cette capacité permet de déterminer la composition moléculaire, la présence de nuages ou d’aérosols, le profil pression–température et les processus physiques et chimiques à l'œuvre dans ces atmosphères.

La méthode principale utilisée est celle dite des transits, observant les variations de luminosité lors du passage de la planète devant son étoile ou derrière elle (éclipse secondaire). Néanmoins, l’observation sur toute la période orbitale (phase curve)—qui contient aussi un transit et deux éclipses—fournit encore plus d’informations. Avec les courbes de phase, le budget énergétique, la structure longitudinale, et la circulation atmosphérique peuvent être directement observés. JWST a déjà obtenu des données en courbes de phase d’une qualité exceptionnelle. Beaucoup de ces ensembles de données sont désormais accessibles au public et contiennent une mine d’informations, mais ils ne sont que partiellement exploités. La durée de ces observations, la finesse des signaux très faibles (quelques dizaines de ppm), et la présence d’effets instrumentaux plus subtiles rendent l’exploitation de ces données plus complexe.

La thèse proposée se concentrera d’abord sur l’étude et la correction de ces effets instrumentaux, puis sur l’extraction des propriétés atmosphériques avec le logiciel TauREx (https://taurex.space/), sous la co-supervision de Quentin Changeat (Université de Groningen) et Pierre-Olivier Langage (CEA Paris-Saclay). Cette thèse participera à la préparation de l’exploitation scientifique de la mission ESA Ariel (lancement prévu en 2031), entièrement dédiée à l’étude des atmosphères exoplanétaires et qui pourrait observer près de 50 courbes de phase.

Contexte :
La mission Euclid fournira des mesures de lentille gravitationnelle faible (weak lensing, WL) d’une précision sans précédent, susceptibles de révolutionner notre compréhension de l’Univers. Cependant, à mesure que les incertitudes statistiques diminuent, le contrôle des effets systématiques devient d’autant plus crucial. Parmi ceux-ci, la rétroaction baryonique — qui redistribue le gaz au sein des galaxies et des amas — demeure l’un des principaux effets systématiques astrophysiques limitant la capacité d’Euclid à contraindre l’équation d’état de l’énergie noire. Comprendre la rétroaction baryonique représente aujourd’hui l’un des défis les plus urgents de la cosmologie.

L’effet Sunyaev-Zel’dovich thermique (tSZ) offre une fenêtre unique sur la composante baryonique de l’Univers. Cet effet provient de la diffusion des photons du fond diffus cosmologique (CMB) par les électrons chauds présents dans les groupes et amas de galaxies. Ce même gaz chaud, redistribué par la rétroaction baryonique, est particulièrement pertinent pour la cosmologie des lentilles faibles. La corrélation croisée entre le signal tSZ et le signal WL permet d’étudier la manière dont les baryons tracent et modifient les structures cosmiques, offrant ainsi des contraintes conjointes sur la cosmologie et la physique baryonique.

La plupart des analyses actuelles du signal croisé tSZ–WL reposent sur l’ajustement des spectres de puissance angulaires en supposant une vraisemblance gaussienne. Cependant, le signal tSZ est fortement non gaussien, car il trace les structures massives de l’Univers, et les spectres de puissance ne capturent qu’une partie limitée de l’information contenue dans les données. Pour exploiter pleinement le potentiel scientifique des analyses tSZ–WL, il est donc essentiel de dépasser ces hypothèses simplificatrices.

Sujet de thèse :
L’objectif de ce projet de thèse est de développer un nouveau cadre d’analyse, basé sur des simulations, pour étudier conjointement les signaux tSZ et WL issus d’Euclid. Ce cadre combinera des modèles physiques directs (forward models) avec des techniques statistiques et d’apprentissage automatique avancées, afin de fournir des mesures précises de la rétroaction baryonique et des paramètres cosmologiques. En analysant conjointement les signaux tSZ et WL, ce projet renforcera la précision des analyses cosmologiques d’Euclid et améliorera notre compréhension de la connexion entre matière noire et baryons.

Le projet de thèse porte sur la mesure sans biais du cisaillement gravitationnel faible, un effet dû à la déviation de la lumière des galaxies par la matière présente sur la ligne de visée. Cette technique est essentielle pour étudier la matière noire, l’énergie noire et la gravité, et constitue un pilier de la mission spatiale Euclid, lancée en 2023. Les méthodes classiques de mesure des formes de galaxies introduisent des biais systématiques dans l’estimation du cisaillement. L’objectif de cette thèse est de développer une approche innovante de modélisation directe permettant d’inférer le cisaillement sans passer par la mesure de forme, en simulant des images de galaxies réalistes à l’aide d’architectures d’apprentissage profond. Le doctorant participera à l’adaptation de cette méthode aux données réelles d’Euclid, en intégrant la complexité du système de traitement des données (SGS) et en optimisant le calcul sur GPU et supercalculateurs. Ce travail s’inscrit dans un contexte très dynamique, coïncidant avec la première diffusion publique des données d’Euclid prévue pour 2026. Les résultats attendus sont une estimation du cisaillement plus précise et robuste, ouvrant la voie à des analyses cosmologiques de nouvelle génération.

Cette thèse vise à développer une compréhension intégrée des galaxies à haut redshift au sein de leurs structures à grande échelle. Nous étudierons comment les mécanismes de rétroaction (« feedback ») et l'activité nucléaire de ces galaxies affectent leur environnement, en couplant des données observationnelles avec des simulations cosmologiques.
Nos objectifs principaux sont de :
1. Faire progresser les capacités de diagnostic pour l'étude du gaz diffus.
2. Tester et valider les paradigmes actuels sur l'accrétion de gaz.
Notre travail observationnel s'appuiera sur de nouvelles données du télescope Keck et du Very Large Telescope concernant les halos Lyman-alpha autour de groupes et amas massifs à z>2, dont nous disposons déjà en grande partie. Nous intégrerons également les données de plus en plus nombreuses du télescope spatial James Webb (JWST) sur les mêmes cibles, afin de révéler les propriétés des galaxies et de leurs noyaux actifs (AGN).
Sur le plan théorique, nous utiliserons les résultats publics des simulations TNG100, HORIZON5 et CALIBRE pour comprendre l'évolution des galaxies, en tirant des enseignements des succès comme des échecs lors de la comparaison avec les observations. In fine, cela nous permettra de guider le développement de nouvelles simulations haute fidélité du milieu circum-galactique, conçues spécifiquement pour contraindre les processus d'accrétion de gaz.
Cette recherche soutient directement notre objectif à long terme de nous préparer à l'exploitation de BlueMUSE, un nouvel instrument en cours de construction pour le VLT auquel nous participons. Elle permettra également de répondre à l'une des questions ouvertes majeures en astrophysique, telle qu'identifiée par le rapport décennal Astro2020.

L'effet de lentille gravitationnelle faible, la distorsion des images de galaxies à haut redshift due aux structures de matière au long de la ligne de visée à grande échelle, est l'un des outils les plus prometteurs de la cosmologie pour sonder le secteur sombre de l'Univers. Le satellite spatial européen Euclide mesurera les paramètres cosmologiques avec une précision sans précédent. Pour atteindre cet objectif ambitieux, un certain nombre de sources d’erreurs systématiques doivent être quantifiées et comprises. L’une des principales origines des biais est liée à la détection des galaxies. Il existe une forte dépendance à la densité de galaxies locale et au fait que l'émission lumineuse de la galaxie chevauche les objets proches. Si elles ne sont pas traitées correctement, de telles galaxies « mélangées » (blended) biaiseront fortement toute mesure ultérieure de distorsions d'image à faible lentille.
L'objectif de cette thèse est de quanti?er et de corriger les biais de détection des lentilles faibles, notamment dus au mélange. À cette fin, des algorithmes modernes d’apprentissage automatique et profond, y compris des techniques d’auto-différenciation, seront utilisés. Ces techniques permettent une estimation très efficace de la sensibilité des biais liés aux propriétés des galaxies et des levés sans qu'il soit nécessaire de créer un grand nombre de simulations. L'étudiant effectuera des analyses d'inférence de paramètres cosmologiques des données de lentille faible d'Euclide. Les corrections des biais développées dans cette thèse seront inclutes à prior dans la mesure de formes de galaxies, où à postérior â l'aide de paramètres de nuisance, afin d'obtenir des mesures de paramètres cosmologiques avec une fiabilitlé requise pour une cosmologie de précision.