Thèse Séparation de Composantes de Haute Précision pour les Futures Missions Cmb à la Recherche des Modes-B Primordiaux H/F

Doctorat.Gouv.Fr

La thèse sera conduite au sein du groupe CMB de l'IJCLab (Université Paris-Saclay/CNRS), fort d'une contribution historique aux missions Planck et ACT, et activement engagé dans SO et LiteBIRD. L'étudiant(e) pourra être impliqué(e) dans ces grandes collaborations internationales, tout en produisant une recherche individuelle et ambitieuse, lui assurant une grande visibilité. Sa contribution viendra également renforcer l'implication française dans ces grands projets.

L'objectif principal de la thèse concerne la modélisation et la compréhension des avant-plans galactiques polarisés pour la mission SO, dans le but d'améliorer les méthodes de séparation de composantes. Il s'agira de développer des algorithmes motivés par la physique des émissions d'avant-plan, tels que l'expansion en moments, et de les utiliser pour raffiner les méthodes de séparation de composantes existantes ou en proposer de nouvelles aux collaborations. Il sera également possible de se concentrer sur le développement de méthodes d'analyse statistique avancées, notamment les scattering transforms (outils inspirés des réseaux de neurones convolutifs), pour caractériser les résidus non gaussiens des signaux galactiques et des effets instrumentaux, et ainsi améliorer la qualité des cartes de polarisation du CMB. L'étudiant(e) pourra également se consacrer à des études plus instrumentales liées aux effets systématiques, dont la maîtrise est indispensable au succès des missions, ainsi qu'à l'interface entre séparation de composantes et effets instrumentaux. Une fois développés, les nouveaux outils produits au cours de la thèse pourront être appliqués à la future mission spatiale LiteBIRD (ESA/JAXA), qui constituera le prochain relevé CMB majeur succédant à SO.

Les cartes de CMB ainsi produites et caractérisées pendant cette thèse pourront être étudiées par le/la doctorant(e) dans le cadre d'études phénoménologiques focalisées sur la physique de l'inflation et du reheating (à l'origine des particules du modèle standard). Le ou la doctorant(e) contribuera ainsi directement à la préparation scientifique de ces missions, avec un impact potentiel sur la détection de l'inflation primordiale et la compréhension des mécanismes physiques qui ont façonné l'Univers primitif.
L'étude de la physique de très haute énergie agissant dans l'Univers jeune constitue l'un des programmes scientifiques les plus ambitieux de la cosmologie moderne. Parmi les cibles prioritaires figurent l'inflation cosmique - phase d'expansion quasi-exponentielle du cosmos dans ses premiers instants - et la biréfringence cosmique, rotation de la polarisation du CMB potentiellement induite par des champs scalaires au-delà du modèle standard. Ces deux phénomènes laissent des empreintes distinctives dans la polarisation du fond diffus cosmologique (CMB), comme les modes-B primordiaux. Si ces signaux venaient à être mesurés, ils constitueraient une preuve directe de l'inflation et ouvriraient une fenêtre unique sur la physique des particules à des énergies inaccessibles à tout accélérateur terrestre. C'est dans ce contexte qu'ont émergé de grandes collaborations scientifiques internationales, dont le Simons Observatory (SO) et la future mission spatiale LiteBIRD, conçues pour atteindre une sensibilité sans précédent sur la polarisation du CMB. Cependant, le succès de ces projets repose de manière critique sur la capacité à identifier et soustraire avec précision les avant-plans astrophysiques galactiques - poussière interstellaire polarisée et rayonnement synchrotron - ainsi que les effets systématiques instrumentaux, qui peuvent imiter le signal recherché. La séparation de composantes, à l'interface entre modélisation physique, statistique avancée et traitement du signal, est ainsi devenue un enjeu central pour les missions CMB de prochaine génération.

Développement d'outils numériques et conceptuels de nouvelle génération pour l'analyse des données CMB en particulier:
- Nouvelles méthodes de séparation de composantes permettant de séparer le CMB des sources d'avant-plans galactiques appliqués aux données de Simons Observatory et éventuellement applicable à la future mission LiteBIRD.
- Utilisation d'outils statistiques inspirés des réseaux de neurones pour la caractérisation et la détection d'effets instrumentaux ou de signaux galactiques mal corrigés dans les nouvelles données de Simons Observatory.
- L'étudiant(e) pourra également poursuivre des études sur la phénoménologie de l'inflation et/ou du reheating au sein de l'équipe, pour établir des contraintes sur les modèles de hautes énergies avec les données de Simons Observatory et mieux préparer la mission LiteBIRD.
Le ou la doctorant(e) développera une maîtrise approfondie d'outils théoriques et statistiques avancés, parmi lesquels l'analyse bayésienne, l'expansion en moments et les scattering transforms. Ces formalismes seront implémentés au sein de pipelines numériques nouveaux ou existants - tels que FGBuster - puis validés sur des simulations réalistes du ciel observé par Simons Observatory ou LiteBIRD. Les méthodes ainsi développées ont vocation à s'intégrer directement dans les chaînes d'analyse des collaborations : dans le cas de SO, elles pourront être appliquées à des données réelles ; dans le cas de LiteBIRD, elles pourront contribuer aux études de faisabilité scientifique de la mission, dont le lancement est prévu dans la prochaine décennie.