Propositions de stage et de thèse¶
Proposition de stage M2 2020¶
Spectro-photométrie en imagerie dispersée dans le cadre de LSST-DESC¶
Thématique
Cosmologie observationnelle ; projet LSST ; étalonnage spectro-photométrique
Résumé 
Contexte: Le Large Synoptic Survey Telescope (LSST) est un des grands télescopes de la nouvelle génération, actuellement en construction au Chili. Il observera chaque nuit tout le ciel visible, et produira un catalogue d’étoiles et galaxies d’une étendue sans précédent. Afin d’utiliser ce relevé pour des mesures de cosmologie (SNe Ia, weak lensing, etc.), il est nécessaire de contraindre à 0.1% les erreurs systématiques de calibration. En particulier celles provenant des fluctuations de la transmission atmosphérique deviennent prépondérantes. Le Télescope Auxiliaire (AuxTel), de 1.2 m, construit sur le même site que LSST et mis sur le ciel à l’été 2019, observera des étoiles de référence conjointement à ce dernier à l’aide d’un spectrographe sans fente afin de suivre en temps réel ces variations.
La spectrographie sans fente (slitless) connaît actuellement un renouveau, de part ses avantages pratiques (simplicité instrumentale, multiplexing, facilité de pointer), et sera utilisée dans tous les sondages cosmologiques à venir (JWST, Euclid, WFIRST). Cependant, de part la dégénérescence spectro-spatiale qu’elle implique, elle est sévèrement affectée par des effets de contamination croisée (des sources voisines peuvent se recouvrir), et d’auto-contamination (la taille intrinsèque de la source dégrade la résolution spatiale), ce qui compromet les performances finales. Une modélisation « forward » de l’ensemble de la chaîne d’observation devrait significativement améliorer les performances instrumentales, et fournir des résultats optimaux à même de répondre aux objectifs scientifiques.
Objectifs: Dans un premier temps, il sera demandé à l’étudiant·e de mettre en place les outils de modélisation « end-to-end » – de la source à l’atmosphère à l’instrument et au détecteur – des observations de spectrographie sans fente obtenues dans le cadre du projet LSST-AuxTel. Cela nécessite la mise en œuvre de plusieurs sous-modèles indépendants – modèle optique effectif de l’instrument, caractérisation de la réponse impulsionnelle de l’atmosphère (« seeing »), modélisation physique de la transmission atmosphérique (p.ex. [B+13]) – et leur intégration dans un modèle consolidé des observations slitless ([OC19]). Des données préliminaires sont disponibles (CTIO, Gemini) pour valider la démarche.
L’ensemble de ces analyses et résultats sera alors utilisé comme point de départ pour la partie « exploitation scientifique » de la thèse. Le télescope AuxTel devant être mis en service courant 2019, le cœur de la thèse sera la démonstration de faisabilité de la mesure de la transmission atmosphérique à une précision suffisante, et à son utilisation sur la calibration des données photométriques préliminaires. Une participation à la collecte de ces données lors d’une ou plusieurs missions d’observation au Chili est fortement envisagée. Cette thèse aura lieu à l’intérieur de la collaboration visant à produire et utiliser les étoiles de référence en flux pour LSST (projet StarDICE). L’étudiant·e occupera une place clef à travers la continuation des développements d’analyse de données du spectrographe sans fente de l’AuxTel, avec pour but la production de résultats permettant de contraindre la transmission atmosphérique. Il/elle se positionnera ainsi à une place privilégiée par rapport aux données et aux projets de Cosmologie Observationnelle qui prendront leur essor lors de la mise de LSST sur ciel, vers 2023.
Méthodes: L’étudiant·e devra essentiellement développer des outils numériques d’analyse et de modélisation dans le langage de programmation Python (et l’ensemble de ses bibliothèques scientifiques associées : Numpy, Scipy, Matplotlib, etc.) traditionnellement utilisé au sein de notre équipe et du projet LSST.
Abstract 
Background: The Large Synoptic Survey Telescope (LSST) is one of the large telescopes of the new generation currently under construction in Chile. Every night it will observe the entire visible sky, and produce a catalogue of stars and galaxies of an unprecedented size. In order to use this survey for cosmological measurements (SNe Ia, weak lensing, etc.), it is necessary to constrain systematic calibration errors to 0.1%. In particular, those resulting from fluctuations in atmospheric transmission become preponderant. The 1.2 m Auxiliary Telescope (AuxTel), built on the same site as LSST and placed on the sky in the summer of 2019, will observe reference stars using a slitless spectrograph to monitor these variations in real time.
Slitless spectrography is currently undergoing a renewal, thanks to its practical advantages (instrumental simplicity, multiplexing, ease of pointing), and will be used in all future cosmological surveys (JWST, Euclid, WFIRST). However, due to the spectro-spatial degeneration it implies, it is severely affected by the effects of cross-contamination (neighboring sources may overlap), and self-contamination (the intrinsic size of the source degrades the spatial resolution), which compromises the final performance. Forward modeling of the entire observation chain should significantly improve instrumental performance and provide optimal results to meet scientific objectives.
Objectives: As a first step, the student will be asked to implement end-to-end modeling tools - from source to atmosphere to instrument and detector - for slitless spectrography observations obtained in the LSST-AuxTel project. This requires the implementation of several independent sub- models - effective optical model of the instrument, characterization of the impulse response of the atmosphere (seeing), physical modeling of atmospheric transmission (e.g. [B+13]) - and their integration into a consolidated model of slitless observations ([OC19]). Preliminary data are available (CTIO, Gemini) to validate the approach.
All these analyses and results will then be used as a starting point for the scientific exploitation part of the thesis. With the AuxTel telescope scheduled to be commissioned in 2019, the core of the thesis will be the demonstration of the feasibility of measuring atmospheric transmission to sufficient accuracy, and its use on the calibration of preliminary photometric data. Participation in the collection of these data during one or more observation missions to Chile is strongly envisaged. This thesis will take place as part of the collaboration to produce and use flow reference stars for LSST (StarDICE project). The student will occupy a key place through the continuation of the data analysis developments of the slitless spectrograph of the AuxTel, with the goal of producing results that constrain atmospheric transmission. He/she will thus be in a privileged position in relation to the observational cosmology data and projects that will take off when LSST is put on the sky, around 2023.
Methods: The student will essentially develop digital analysis and modeling tools in the Python programming language (and all its associated scientific libraries: Numpy, Scipy, Matplotlib, etc.) traditionally used within our team and the LSST project.
Proposition de stage M2 2021¶
Imagerie dispersée de supernovæ pour le projet Roman Space Telescope¶
Thématique
Cosmologie observationnelle ; Nancy Grace Roman Space Telescope ; Supernovæ de type Ia
Résumé
Contexte : Le Nancy Grace Roman Space Telescope (anciennement nommé WFIRST) est un télescope spatial infrarouge développé par la NASA avec contributions françaises. Il réalisera notamment un grand sondage de cosmologie observationnelle utilisant trois sondes principales : supernovæ de type Ia, lentillage gravitationnel faible et oscillations acoustiques de baryons. En particulier, il observera, à l’aide du Wide Field Instrument – une caméra IR de 301 Mpx couvrant un champ de 0.28 degré² – des supernovæ thermonucléaires (dites de type Ia) en spectrographie sans fente haute et basse résolutions.
La spectrographie sans fente (slitless), de part ses avantages pratiques – simplicité instrumentale, multiplexing, facilité de pointer – sera utilisée dans tous les sondages cosmologiques à venir (JWST, Euclid, et donc Roman). Cependant, de part la dégénérescence spectro-spatiale qu’elle implique, elle est sévèrement affectée par des effets de contamination croisée (des sources voisines peuvent se recouvrir), et d’auto-contamination (la taille intrinsèque de la source dégrade la résolution spatiale), ce qui compromet les performances finales. Une modélisation « forward » de l’ensemble de la chaîne d’observation devrait significativement améliorer les performances instrumentales, et fournir des résultats optimaux à même de répondre aux objectifs scientifiques.
Objectifs : Il sera demandé à l’étudiant·e de mettre en place des outils de simulation des observations de spectrographie sans fente obtenues dans le cadre du projet Roman. Cela nécessite la mise en œuvre de plusieurs sous-modèles indépendants – modèle optique préliminaire de l’instrument, modèle hyper-spectral de la galaxie hôte, modèle spectral de la supernova. Ce même modèle peut alors être utilisé dans le cadre d’une modélisation « forward » des spectrogrammes obtenus, afin d’évaluer les performances des observations.
Méthodes : L’étudiant·e devra essentiellement développer des outils numériques d’analyse et de modélisation dans le langage de programmation Python. Il/elle s’appuiera sur des expertises déjà développées au sein de notre équipe dans le domaine de l’exploitation cosmologique des supernovæ (projets SNfactory, USNAC, ZTF/LSST), de la modélisation hyper-spectrale des galaxies (thèse de J. Lezmy) et de la compréhension de la spectrographie sans fente (Euclid, LSST-AuxTel, voir p.ex. [O19]).
Ouverture en thèse : L’ensemble de ces analyses et résultats pourra être utilisé comme point de départ pour la thèse qui, si elle est financée, suivra le stage. Le télescope Roman est prévu pour être lancé en 2025, pour une mission d’au moins 5 ans. Le cœur de la thèse sera la démonstration de faisabilité de la mesure des propriétés spectrales des supernovæ à une précision suffisante, et à leur utilisation dans un cadre cosmologique.