Inférence des paramètres cosmologiques à l'aide de prédictions théoriques des statistiques en o[...]

CEA; Saclay; Sur place; EUR 20 000 - 40 000; Plein temps

Résumé du poste

Un institut de recherche prestigieux à Saclay recrute un doctorant pour une thèse sur l'analyse des données de cisaillement faible dans le cadre de la mission Euclid. Le candidat développera un cadre innovant pour traiter des données cosmologiques complexes, incluant des compétences en statistiques et modélisation. Ce projet promet de repousser les frontières de la cosmologie en intégrant des méthodes avancées d'analyse et d'inférence. Le mentor sera Jean-Luc Starck, garantissant un encadrement de haute qualité.

Qualifications

• Connaissances en cosmologie, modèle théorique, statistiques en ondelettes.
• Capacité à traiter des données complexes et à travailler avec des simulations.
• Compétences en analyse de données et en programmation pour la modélisation.

Responsabilités

• Construire un cadre pour l'inférence cosmologique sans vraisemblance.
• Calculer la covariance théorique des statistiques en ondelettes.
• Intégrer et valider le modèle dans un cadre d'inférence.

Description du poste

Description du sujet de thèse

Domaine

Physique corpusculaire et cosmos

Sujets de thèse

Inférence des paramètres cosmologiques à l'aide de prédictions théoriques des statistiques en ondelettes.

Contrat

Thèse

Description de l'offre

Lancé en 2023, le satellite Euclid observe le ciel dans les longueurs d'onde optiques et infrarouges pour cartifier la structure à grande échelle de l'Univers avec une précision inédite. Un pilier fondamental de sa mission est la mesure du cisaillement gravitationnel faible - de subtiles distorsions dans la forme des galaxies lointaines. Ce phénomène constitue une sonde cosmologique puissante, capable de retracer l'évolution de la matière noire et d'aider à distinguer les théories sur l'énergie noire de celles de la gravité modifiée. Traditionnellement, les cosmologues analysent les données de cisaillement faible à l'aide de statistiques du second ordre (comme le spectre de puissance) couplées à un modèle de vraisemblance gaussien. Cette approche établie rencontre cependant des défis significatifs :

• Perte d'information : Les statistiques du second ordre ne capturent toute l'information disponible que si la distribution de matière sous-jacente est gaussienne. En réalité, la toile cosmique est une structure complexe, composée d'amas, de filaments et de vides, ce qui rend cette approche intrinsèquement incomplète.
• Covariance complexe : La méthode nécessite l'estimation d'une matrice de covariance, qui est à la fois dépendante de la cosmologie et non-gaussienne. Ceci exige de réaliser des milliers de simulations numériques de type N-corps, extrêmement coûteuses en calcul, pour chaque modèle cosmologique, un effort souvent prohibitif.
• Effets systématiques : L'intégration des complications observationnelles - telles que les masques de survey, l'alignement intrinsèque des galaxies, et les effets de rétroaction baryonique - dans ce cadre théorique est notoirement difficile.

Face à ces limitations, un nouveau paradigme a émergé : l'inférence sans vraisemblance par modélisation directe (forward modelling). Cette technique contourne le besoin d'une matrice de covariance en comparant directement les données observées à des observables synthétiques générés par un modèle direct (forward model). Ses avantages sont profonds : elle élimine le fardeau de stockage et de calcul lié aux vastes ensembles de simulations, intègre naturellement l'information statistique d'ordre supérieur, et permet d'inclure de manière transparente les effets systématiques. Cependant, cette nouvelle méthode présente ses propres obstacles : elle demande des ressources de calcul (GPU) immenses pour traiter des surveys de l'envergure d'Euclide, et ses conclusions ne sont aussi fiables que les simulations sur lesquelles elle s'appuie, ce qui peut mener à des débats circulaires si les simulations et les observations divergent.

Une percée récente (Tinnaneni Sreekanth, 2024) ouvre une voie prometteuse. Ces travaux fournissent le premier cadre théorique permettant de prédire directement les principales statistiques en ondelettes des cartes de convergence - exactement le type de cartes qu'Euclide produira - pour un jeu de paramètres cosmologiques donné. Il a été démontré dans Ajani et al. (2021) que la norme L1 des coefficients en ondelettes est extrêmement puissante pour contraindre les paramètres cosmologiques. Cette innovation promet d'exploiter la puissance des statistiques non-gaussiennes avancées sans le surcoût computationnel traditionnel, ouvrant potentiellement la voie à une nouvelle ère de cosmologie de précision.

Nous avons démontré que cette prédiction théorique peut être utilisée pour construire un émulateur hautement efficace (Tinnaneni Sreekanth et al., 2025), accélérant considérablement le calcul de ces statistiques non-gaussiennes. Il est crucial de noter qu'à son stade actuel, cet émulateur ne fournit que la statistique moyenne et n'inclut pas la variance cosmique. En l'état, il ne peut donc pas encore être utilisé seul pour une inférence statistique complète.

Objectif de cette thèse de doctorat

Cette thèse de doctorat vise à révolutionner l'analyse des données de cisaillement faible en construisant un cadre complet et intégré pour l'inférence cosmologique sans vraisemblance. Le projet commence par adresser le défi fondamental de la stochasticité : nous calculerons d'abord la covariance théorique des statistiques en ondelettes, fournissant une description mathématique rigoureuse de leur incertitude. Ce modèle sera ensuite intégré dans un générateur de cartes stochastiques, créant ainsi des données synthétiques réalistes qui capturent la variabilité intrinsèque de l'Univers.

Pour garantir la robustesse de nos résultats, nous intégrerons une suite complète d'effets systématiques - tels que le bruit, les masques observationnels, les alignements intrinsèques et la physique baryonique - dans le modèle direct. Le pipeline complet sera intégré et validé au sein d'un cadre d'inférence basée sur les simulations, en testant rigoureusement sa capacité à retrouver des paramètres cosmologiques non biaisés. L'aboutissement de ce travail sera l'application de notre outil validé aux données de cisaillement faible d'Euclide, où nous exploiterons l'information non-gaussienne pour poser des contraintes compétitives sur l'énergie noire et la gravité modifiée.

References

• V. Ajani, J.-L. Starck and V. Pettorino, 'Starlet l1-norm for weak lensing cosmology', Astronomy and Astrophysics, 645, L11, 2021.
• V. Tinnaneri Sreekanth, S. Codis, A. Barthelemy, and J.-L. Starck, 'Theoretical wavelet l1-norm from one-point PDF prediction', Astronomy and Astrophysics, 691, id.A80, 2024.
• V. Tinnaneri Sreekanth, J.-L. Starck and S. Codis, 'Generative modeling of convergence maps based in LDT theoretical prediction', Astronomy and Astrophysics, 701, id.A170, 2025.

Université / école doctorale

Localisation du sujet de thèse

Site

Saclay

Demandeur

Personne à contacter par le candidat

STARCK Jean-Luc [e-mail]
CEA
DRF/IRFU/DAP/LCS
CEA/Saclay, Orme des Merisiers
01 69 08 57 64

Tuteur / Responsable de thèse

STARCK Jean-Luc [e-mail]
CEA
DRF/IRFU/DAP/LCS
CEA/Saclay, Orme des Merisiers
01 69 08 57 64

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