Offre de thèse en astrophysique (H/F)

Description du Poste

Sujet De Thèse

Titre : Étude des mouvements du gaz dans le milieu intra-amas en combinant les observations en rayons X et l’effet Sunyaev-Zel’dovich

1. Contexte et objectifs
Les amas de galaxies sont des laboratoires astrophysiques uniques pour étudier la formation des grandes structures de l’Univers et constituent des sondes cosmologiques puissantes [1]. Ils croissent par la fusion de sous-amas et par l’accrétion continue de matière en provenance de la toile cosmique environnante, tandis que leurs cœurs sont façonnés par les rétroactions des noyaux actifs de galaxies (AGN). Ces processus génèrent des chocs qui chauffent le milieu intra-amas (ICM), mais une fraction non négligeable de cette énergie est convertie en mouvements turbulents, qui produisent un soutien de pression non thermique considéré comme une source majeure du biais de masse hydrostatique (biais HSE [2]), limitant actuellement la cosmologie avec les amas. La turbulence devrait également entraîner la (ré)accélération des rayons cosmiques et amplifier les champs magnétiques, générant une émission synchrotron radio diffuse. Pourtant, les processus physiques à l’origine de cette émission restent mal compris [3].
Comprendre la nature, le rôle et l’évolution des mouvements de l’ICM à travers le temps cosmique, les échelles de masse et les environnements est donc une question centrale de l’astrophysique moderne.

Des mesures directes de la turbulence dans l’ICM sont désormais possibles grâce aux missions spectroscopiques en rayons X à haute résolution, comme XRISM [4]. Cependant, ces observations sont coûteuses en temps de télescope et spatialement limitées, ne sondant que les cœurs des amas massifs proches. Alternativement, la turbulence peut être inférée à partir des fluctuations des quantités thermodynamiques, en supposant que ces variations tracent le champ de vitesse turbulent [5]. Les études précédentes se sont principalement appuyées sur les fluctuations de la brillance de surface en rayons X [6], mais les estimations résultantes présentent une certaine dispersion, soulignant l’intérêt de mesures cinématiques complémentaires.

L’effet Sunyaev-Zel’dovich (SZ) offre une sonde indépendante et complémentaire de l’ICM. Résultant de la diffusion Compton inverse des photons du fond diffus cosmologique par les électrons chauds de l’ICM, il trace directement la pression thermique. Contrairement à l’émission X, le signal SZ est indépendant du redshift (ce qui en fait un outil puissant pour l’étude des amas lointains), à condition d’atteindre une haute résolution angulaire et une sensibilité élevée. Les fluctuations de la brillance de surface SZ sont donc des traceurs prometteurs de la turbulence, bien que les études systématiques restent largement limitées [7]. Avec l’avènement de grands réseaux de détecteurs millimétriques sensibles sur de grands télescopes (par exemple, IRAM30m/NIKA2 [8]), l’imagerie SZ à haute résolution est désormais routinière, et la qualité des données SZ est désormais suffisante pour étudier la turbulence.

Ce projet vise à quantifier les propriétés de la turbulence dans l’ICM, telles que tracées par les fluctuations des quantités thermodynamiques, en fonction de la masse, du redshift et de l’environnement, en exploitant des observations SZ et X de haute qualité.

2. Méthodologie et résultats attendus

L'approche envisagée avec cette thèse combine l’imagerie en rayons X et SZ pour caractériser la turbulence. Leur complémentarité permet des analyses conjointes qui distinguent la nature physique des perturbations de l’ICM et réduisent les incertitudes systématiques. Le/La doctorant(e) utilisera les échantillons SZ NIKA2, comprenant plus de 50 amas jusqu’à z~1, complétés par des données X publiques issues de XMM-Newton et Chandra. Le projet est structuré comme suit :

1 – Fluctuations de pression à partir de l’imagerie SZ
Notre équipe a récemment développé des outils pour contraindre les fluctuations de l’ICM à partir des cartes SZ. Leur application à l’échantillon NIKA2-LPSZ a permis les premières mesures à haut redshift du soutien de pression turbulent moyen. Cependant, les études sur les fluctuations SZ n’ont pas encore atteint leur pleine maturité. Le/La doctorant(e) intégrera des méthodes d’inférences basées sur des simulations (SBI) qui prennent en compte la nature stochastique de la turbulence. Une modélisation améliorée permettra également de sonder la turbulence, du cœur à la périphérie des amas. L’application de ce cadre aux données fournira des contraintes robustes sur le spectre de puissance des fluctuations de pression.

2 – Nature des perturbations de l’ICM par modélisation conjointe X et SZ
La comparaison des spectres de puissance des fluctuations de densité (rayons X) et de pression (SZ) révèle le régime thermodynamique de la turbulence, lié au mécanisme source (rétroaction des AGN, fusions). Les analyses conjointes aident également à identifier les signaux contaminants (par exemple la présence de sous-strucures, le bruit de fond) et à réduire les effets systématiques dans le modèle non perturbé. En utilisant notre cadre d’analyse, le/la doctorant(e) simulera des observables X et SZ de manière cohérente, incluant les réponses instrumentales, pour générer des spectres de puissance croisés directement comparables à ceux extraits des données. L’application à notre échantillon permettra de contraindre les spectres de puissance des fluctuations et leur source physique.

3 – Évolution
Le/La doctorant(e) étudiera comment les propriétés de la turbulence varient en fonction de la masse des amas, du redshift, du rayon et de l’échelle physique. Il/Elle examinera également les liens entre la turbulence, les chocs, l’activité des AGN et l’accélération des particules en corrélant les traceurs thermiques et non thermiques de l’ICM. Les mesures de turbulence dans différents environnements seront comparées aux propriétés radio (puissance, indice spectral, classe de source) pour relier les régimes de turbulence aux mécanismes d’accélération.

En définitive, ce projet fournira a) une caractérisation statistique des fluctuations thermodynamiques de l’ICM en tant que traceur de la turbulence, b) des mesures du régime thermodynamique, révélant le mécanisme source, c) une quantification de l’évolution des propriétés de la turbulence en fonction du redshift, de la masse et de l’environnement. La thèse contribuera à une meilleure compréhension du biais HSE et apportera de nouveaux éclairages sur les mécanismes d’accélération des particules dans l'ICM.

Références
[1] Pratt et al. (2019), SSR, 215, 25, arXiv:1902.10837
[2] Angelinelli et al. (2020), MNRAS, 495, 864, arXiv:1905.04896
[3] Van Weeren et al. (2019), SSR, 215, 1, 16, arXiv:1901.04496
[4] XRISM collaboration (2025), submitted to Nature, arXiv:2509.04421
[5] Zhuravleva et al. (2018), MNRAS, 520, 4, pp.5157-5172, arXiv:2210.11544
[6] A. Heinrich, I. Zhuravleva et al. (2024), MNRAS, 528, 4, pp.7274-7299, arXiv:2401.15179
[7] R. Adam et al. (2025), A&A, 694, A182, arXiv:2409.14804
[8] R. Adam et al. (2018), A&A, 609, A115, arXiv:1707.00908

Votre Environnement de Travail

La thèse sera encadrée par R. Adam au sein de l’équipe Galaxies et Cosmologie (Laboratoire Lagrange, Observatoire de la Côte d’Azur), en collaboration étroite avec I. Zhuravleva (Université de Chicago), spécialiste de l’analyse des données en rayons X, des fluctuations de densité et de la turbulence. Le projet bénéficiera également de l’expertise complémentaire d’autres collaborateurs en France (Toulouse, Saclay, Grenoble), contribuant ainsi à une approche multidisciplinaire pour l'analyse conjointe SZ–X. Des réunions régulières et un plan de travail structuré, avec des étapes claires, garantiront un encadrement continu. Le/La doctorant(e) passera environ quatre mois au total à Chicago pour développer l’analyse des rayons X dans le cadre de la modélisation conjointe SZ–X.

Contraintes et risques

Séjour(s) de plusieurs mois à l'Université de Chicago (États-Unis) prévus lors de la thèse.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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