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Poste de doctorant : inférence bayésienne pour les sources d'ondes gravitationnelles H/F

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : mardi 11 octobre 2022

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Informations générales

Référence : UMR7164-KEVVEL-004
Lieu de travail : PARIS 13
Date de publication : mardi 20 septembre 2022
Nom du responsable scientifique : Edward K. Porter
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Pour extraire les informations scientifiques des fusions binaires, le LVK utilise l'inférence bayésienne pour estimer les paramètres physiques de la binaire. Actuellement, le LVK utilise à la fois l'algorithme de Monte Carlo par chaîne de Markov et l'algorithme d'échantillonnage imbriqué. Comme ces algorithmes proviennent tous deux d'une famille d'échantillonneurs de marche aléatoire, leur convergence est lente, nécessitant des temps d'exécution de plusieurs semaines à plusieurs mois. Le groupe d'APC a travaillé au développement d'un algorithme d'inférence bayésienne de pointe appelé DeepHMC. Cet algorithme est un échantillonneur de chaîne de Markov Hamiltonien qui n'est pas un échantillonneur de marche aléatoire, et comme il a une convergence exponentielle, il est un ordre de grandeur plus rapide que les algorithmes actuels utilisés par la communauté GW. Cette accélération provient en grande partie d'un moteur d'apprentissage automatique au cœur de l'algorithme. L'objectif de cette thèse de doctorat est d'optimiser et de développer davantage la base d'apprentissage automatique de l'algorithme, et de paralléliser l'algorithme lorsque cela est possible pour l'utiliser avec des GPU/CPU, réduisant encore le temps d'exécution de l'algorithme et lui permettant potentiellement d'être utilisé pour l'estimation des paramètres en temps quasi réel et à faible latence. Pendant la durée de la thèse, il est prévu que l'étudiant partage son temps à 50/50 entre les collaborations LVK et ET. Au sein du LVK, l'étudiant fera partie du groupe sur la coalescence binaire compacte, et devra en particulier jouer un rôle dans les groupes d'estimation des paramètres et d'astrophysique nucléaire. Au sein de la collaboration ET, l'étudiant fera partie du conseil scientifique d'observation et travaillera sur des problèmes concernant l'estimation des paramètres et l'extraction scientifique des coalescences binaires compactes.

Plan de la thèse

Le plan pour les trois années est le suivant :

Année 1 : étudier et optimiser la structure architecturale du réseau neuronal profond en expérimentant le nombre de couches et le nombre de neurones dans chaque couche, ainsi qu'en étudiant différentes fonctions d'activation et leurs combinaisons. Si possible, paralléliser l'algorithme pour l'appliquer sur des GPU et/ou des clusters de CPU. Augmenter la dimensionnalité de l'algorithme pour inclure les effets physiques manquants tels que la précession binaire et l'excentricité.

Années 2/3 : appliquer l'algorithme aux données réelles de la quatrième campagne scientifique de LIGO-Virgo-Kagra. Participer aux défis scientifiques ET qui utiliseront des données simulées et travailleront au développement d'un algorithme d'inférence viable pour les signaux GW de longue durée et se chevauchant pour les détecteurs GW 3G.

Contexte de travail

Jusqu'à très récemment, les ondes gravitationnelles (GW) étaient la dernière prédiction non vérifiée de la théorie de la relativité générale (GR) d'Einstein. Bien que la désintégration orbitale du pulsar binaire de Hulse-Taylor en soit une preuve indirecte, ce n'est qu'avec l'observation de la fusion du trou noir binaire (BBH) GW150914 que nous avons enfin eu une preuve directe de l'existence des ondes gravitationnelles. Cet événement a ouvert une nouvelle fenêtre sur l'univers et a marqué la naissance de l'astronomie multimessager. Deux ans plus tard, la première observation de GWs provenant de la fusion d'étoiles à neutrons binaires (BNS) GW170817 a été faite. Cet événement fondateur a coïncidé avec l'observation d'un sursaut gamma par le satellite Fermi. Dans les 10 heures qui ont suivi, un homologue optique a été identifié par un certain nombre de télescopes dans le monde entier. Et dans les jours ou semaines qui ont suivi, des observations ont été faites dans tout le spectre électromagnétique. Ce seul événement a eu d'énormes conséquences dans un certain nombre de domaines différents. L'arrivée des rayons gamma dans les deux secondes suivant le signal GW a confirmé la prédiction selon laquelle les GW se déplacent à la vitesse de la lumière, une observation qui a fortement limité les autres théories de la gravité. La combinaison des signaux GW et EM a non seulement imposé une contrainte stricte sur l'équation d'état nucléaire des étoiles à neutrons, mais a également fourni la preuve que les éléments les plus lourds de l'univers pourraient en fait provenir de fusions BNS, et non de supernovae comme on le pensait auparavant. Enfin, comme les GW nous permettent de mesurer la distance de luminosité à la source, la combinaison de cette information avec la mesure du décalage vers le rouge à partir des observations EM nous a permis de poser la première contrainte sur la valeur de la constante de Hubble qui ne nécessitait pas une échelle de distance cosmique ou des observations du CMB. Depuis lors, un total de 90 événements GW ont été observés, y compris la première preuve directe de binaires mixtes étoile à neutrons-trou noir et la formation d'un trou noir de masse intermédiaire.

Bien qu'elles proviennent de certains des événements les plus violents de l'univers, les GW sont incroyablement faibles et, par conséquent, très difficiles à détecter. Un réseau mondial de détecteurs d'ondes progressives est en train d'être mis à niveau en vue de la quatrième mission LIGO-Virgo-Kagra (LVK), fin 2022. Ce réseau se compose des deux détecteurs LIGO de 4 km aux États-Unis, du détecteur Virgo de 3 km en Italie et du détecteur KAGRA de 3 km au Japon. Dans les prochaines années, un autre détecteur LIGO de 4 km, dont la construction est prévue en Inde, devrait également rejoindre le réseau. À mesure que nous nous approchons des contraintes des détecteurs actuels, nous sommes limités quant à la possibilité de pousser les performances à basse fréquence des détecteurs, et nous devrons construire de nouveaux détecteurs pour l'avenir. En Europe, le projet Einstein Telescope (ET) a récemment été intégré à la feuille de route de l'ESFRI pour les projets à grande échelle. Ce détecteur cryogénique souterrain de 10 km nous permettra de descendre à une fréquence d'environ 2 Hz, ouvrant ainsi la possibilité de détecter des sources GW jusqu'à un décalage vers le rouge de z = 100, avec un taux attendu de ~10^5 sources par an. Aux Etats-Unis, des plans sont à l'étude pour la construction d'un second détecteur de 3ème génération appelé Cosmic Explorer, prévu pour travailler en collaboration avec ET.

Contraintes et risques

Des déplacements en France ou à l'étranger sont à prévoir.
Aucun risque particulier.

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