Ce projet de recherche doctoral, soutenue par la MITI (Mission pour les Initiatives Transverses et Interdiciplinaire) du CNRS se situe à l’interface entre la science des données (INS2I) et l’astrophysique gravitationnelle (IN2P3).
Il vise à développer de nouveaux outils de traitement du signal pour permettre de reconstruire les modes de polarisation des ondes gravitationnelles à partir des données observationnelles et de caractériser l’état de polarisation et sa dynamique temporelle. Estimer et caractériser cette information de polarisation des ondes gravitationnelles permet d'étayer l'interprétation des signaux astrophysiques provenant des binaires de trous noirs ou des supernovae.
État de l’art
Ces dernières années ont vu émerger un corpus de travaux portant sur l’analyse et la caractérisation des signaux bivariés [1,2], c’est-à-dire des séries temporelles associant deux variables, décrivant ainsi au cours du temps une trajectoire dans un plan à deux dimensions. Ces travaux ont conduit à l’introduction de nouveaux modèles et outils mathématiques permettant d’étendre l’analyse harmonique classique au cas bivarié et de caractériser géométriquement la trajectoire suivie par le signal qui traduit le couplage entre les deux composantes du signal. Cette caractérisation est étroitement liée à la notion physique de polarisation, notamment employée pour les ondes vectorielles comme les ondes électromagnétiques ou élastiques.
Ces nouvelles approches apparaissent particulièrement pertinentes pour l’astronomie gravitationnelle. En effet, la relativité générale prédit l’existence de deux modes de polarisation pour les ondes gravitationnelles [8]. Les interféromètres terrestres actuellement en fonctionnement, tels que Virgo en Europe, LIGO aux États-Unis et KAGRA au Japon, détectent ainsi un signal astrophysique intrinsèquement bivarié.
Jusqu’à présent, la mesure et la caractérisation de la polarisation des ondes gravitationnelles ont reçu peu d’attention. Chaque détecteur enregistrant un mélange linéaire des deux modes de polarisation, leur reconstruction à partir des observations de Virgo, LIGO et KAGRA constitue un problème inverse mal posé, en raison du nombre limité de détecteurs en opération et du faible rapport signal sur bruit. Cependant, avec l’amélioration des sensibilités instrumentales et l’entrée en service de nouveaux détecteurs comme LIGO India, cette situation évoluera progressivement au cours des prochaines années.
Hayama et ses collaborateurs ont mis en évidence l’utilité de la mesure de polarisation des ondes gravitationnelles pour la phénoménologie des supernova [5]. Plus récemment, des avancées ont été faites dans le cadre de deux thèses, mentionnées plus haut, avec la proposition de l’utilisation des paramètres de Stokes pour la caractérisation de l’état de polarisation des signaux gravitationnels [1] et la reconstruction des polarisations quand la polarisation est fixée et connue, et la position dans le ciel de la source est également connue [2]. Des solutions basées sur des contraintes de régularité posées sur l’évolution de l’état de polarisation [6] ou des modèles issus de l’apprentissage statistique [7] sont explorées actuellement. Cependant, tous ces travaux aboutissent à des preuves de principe pour des problèmes simplifiés. Il n’y a pas aujourd’hui d’approches pouvant être appliquées directement au cas d’un signal astrophysique observé par les détecteurs LIGO et Virgo.
Objectifs scientifiques
Accéder à la polarisation des ondes gravitationnelles présente un intérêt majeur pour l’astrophysique. En effet, celle-ci peut fournir des informations précieuses sur la dynamique des sources astrophysiques. Par exemple, dans le cas des fusions de binaires d’objets compacts (trous noirs et étoiles à neutrons), la détection d’une modification de la polarisation signalerait un changement de l’inclinaison du plan orbital de la binaire et constituerait donc un indicateur de précession orbitale. De même, l’analyse de la polarisation des modes de la proto-étoile à neutrons formée après une supernova apporterait des éléments clés à la compréhension des processus impliqués dans l’effondrement gravitationnel du cœur d’une étoile massive. Enfin, il est possible de tester la gravitation en vérifiant la polarisation des modes quasi-normaux du trou noir résultant de la fusion d’une binaire compacte.
Ce projet se situe à l’interface entre le traitement du signal et l’astronomie gravitationnelle. Il vise à développer de nouveaux algorithmes permettant :
1. De reconstruire et débruiter les modes de polarisation des ondes gravitationnelles à partir des données observationnelles. Cela nécessitera l’introduction de schémas de régularisation pour contraindre la solution du problème inverse de reconstruction, en s’appuyant sur des a priori issus de modèles et de contraintes astrophysiques. L’optimisation de ces schémas impliquera également la mise en œuvre d’algorithmes adaptés, tels que par exemple les approximations de rang faible structurées [3] dédiées au cas bivarié.
2. De définir des observables caractérisant l’état de polarisation et son évolution temporelle. Cela inclut, par exemple, l’étude d’invariants géométriques que peut fournir par exemple la phase géométrique [4] ou d’autres invariants marqueurs de variations temporelles des paramètres intrinsèques (de polarisation) du signal.
Les avancées attendues sont multiples et contribueront aux deux domaines disciplinaires du projet. Pour la science des données, des contributions d’ordre méthodologique sont attendues. Les problèmes d’approximation [3] ou de séparation/débruitage sont bien connus pour le cas des signaux univariés, mais la prise en compte de la dimension “polarisation” via les modèles bivariés n’a pour l’heure pas été considérée. L’inclusion de la polarisation dans la reconstruction de formes d’ondes via un problème inverse régularisé aura d’ailleurs des applications potentielles au delà du périmètre scientifique du projet du fait de l’existence de signaux polarisés dans d’autres domaines de la physique.
Concernant 1., les solutions prometteuses [6,7] actuellement explorées dans le cadre du projet ANR RICOCHET, qui se conclut en 2026, offrent des pistes intéressantes sur lesquelles cette proposition de thèse peut s’appuyer pour obtenir un algorithme applicable aux données LIGO et Virgo.
Concernant 2., l’étude de la dynamique de polarisation via la définition d’invariants géométriques est un axe de recherche qui est apparu récemment [4]. Au coeur de cette piste de recherche est la recherche d’espaces de représentation invariants par certaines transformations. Par exemple, la phase géométrique [4] des signaux bivariés est une grandeur invariante, entre autres, par reparamétrisation temporelle et par déphasage du signal bivarié. C’est donc un marqueur robuste à des artefacts dans les données, ce qui en fait un objet intéressant pour suivre la dynamique de la polarisation en environnement bruité. Les travaux sur l’étude et l’utilisation de la phase géométrique en traitement du signal bivarié seront donc menés dans ce projet pour proposer des outils de suivi de la dynamique de polarisation des ondes gravitationnelles. Nous proposons donc d’explorer dans cette partie du projet une piste méthodologique originale, avec une potentielle validation sur les données gravitationnelles et à plus long terme dans d’autres domaines scientifiques.
La complémentarité des deux équipes est centrale pour atteindre ces objectifs. L’équipe basée au Gipsa-lab a une grande expertise en analyse de signaux bivariés et dans le développement d’approches géométriques exploitant l’information de polarisation. L’équipe basée à l’APC possède de son côté une expertise reconnue dans la simulation, l’analyse et l’utilisation et l'interprétation des données expérimentales issues des interféromètres LIGO, Virgo et Kagra.
Rôle du ou de la doctorant.e
Le rôle du ou de la doctorant.e sera de mener des recherches à l’interface entre traitement du signal et astrophysique gravitationnelle, avec le souci de transfert opérationnel des algorithmes de traitement du signal développés pour les astrophysiciens.
Le travail de recherche du ou de la doctorant.e sera donc d’aller de la proposition de nouvelles approches en traitement des données (en reconstruction de signaux gravitationnels polarisés et pour l’étude de la dynamique de polarisation des ondes gravitationnelles via des invariants géométriques), jusqu’à la validation sur données simulées et éventuellement sur données réelles. Les tests menés par le ou la doctorant.e seront effectués sur simulations issus des codes de la collaboration LIGO-Virgo-KAGRA (simulation de signaux, bruit réaliste des instruments), permettant leur validation dans des situations réalistes et, à terme, l’inclusion des codes développés dans les chaînes de traitement de la collaboration.
Durant les quatre ans à venir, il est prévu que les détecteurs LIGO, Virgo et KAGRA conduisent deux campagnes d’observation : la partie finale de la campagne O4 en cours doit se conclure en octobre 2025, et la campagne O5 est envisagée à partir du dernier trimestre 2027. Un objectif sera d’aller jusqu’à l'application des méthodes développées pendant la thèse aux données observationnelles associées à O4 ou O5.
Le ou la doctorant.e sera affecté.e au Gipsa-lab. Son travail de recherche se déroulera dans les deux laboratoires impliqués dans le projet (Gipsa-lab et APC). Des séjours réguliers sur les deux sites et une interaction constante avec les chercheurs des deux équipes permettront d'assurer le caractère interdisciplinaire des travaux menés. Un effort particulier sera fait afin que le rendu des travaux soit accessible aux deux communautés scientifiques, via la participation à des conférences en astrophysique gravitationnelle et en science des données. De même, les résultats obtenus seront publiés dans des journaux des deux communautés.
Références
[1], Une approche générique pour l'analyse et le filtrage des signaux bivariés, Julien Flamant, Thèse de doctorat, École Centrale de Lille, 2018.
[2] Outils mathématiques et de traitement du signal pour l'étude polarimétrique des ondes gravitationnelles, Cyril Cano, Thèse de doctorat, Université Grenoble Alpes, 2022.
[3] Structured low-rank matrix completion for forecasting in time series analysis, Jonathan Gillard and Konstantin Usevich, International Journal of Forecasting, Volume 34, Issue 4, 2018.
[4] The geometric phase of bivariate signals, N. Le Bihan, J. Flamant and P.O Amblard, European Conference on Signal and Image Processing, Lyon, 2024.
[5] Hayama et al, Circular polarizations of gravitational waves from core-collapse supernovae: a clear indication of rapid rotation, Phys. Rev. Lett, vol 116 151102, 2016 https://arxiv.org/abs/1606.01520
[6] Y Pilavci et al, Time and Covariance Smoothing for Polarized Bivariate Signals, IEEE SSP Conference, 2025
[7] P Palud et al, Synthetic-data-driven Plug-and-Play method for inverse problems on bivariate signals, IEEE SSP Conference, 2025
[8] M Isi, Parametrizing gravitational-wave polarizations, Class. Quantum Grav. 40 203001, 2025
Contexte de travail
Le Gipsa-lab est un laboratoire de recherche mixte du CNRS, Grenoble-INP -UGA et de l’Université de Grenoble Alpes. Il est conventionné avec l’Inria et l’Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble. Il mène des recherches théoriques et appliquées sur l’AUTOMATIQUE, le SIGNAL, les IMAGES, la PAROLE, la COGNITION, la ROBOTIQUE et l’APPRENTISSAGE.
Pluridisciplinaire et à l’interface entre l’humain, les mondes physiques et numériques, nos recherchent se confrontent à des mesures, des données, des observations provenant des systèmes physiques, physiologiques, cognitifs. Elles portent sur la conception de méthodologies et d’algorithmes de traitement et d’extraction de l’information, de décisions, d’actions et de communications viables, performants et compatibles avec la réalité physique et humaine. Nos travaux s’appuient sur des théories mathématiques et informatiques pour le développement de modèles et d’algorithmes, validés par des implémentations matérielles et logicielles.
En s’appuyant sur ses plateformes et ses partenariats, Gipsa-lab garde un lien constant avec des applications dans des domaines très variés : la santé, l’environnement, l’énergie, la géophysique, les systèmes embarqués, la mécatronique, les procédés et systèmes industriels, les télécommunications, les réseaux, les transports et véhicules, la sécurité et la sûreté de fonctionnement, l’interaction homme-machine, l’ingénierie linguistique, la physiologie et la biomécanique…
De part la nature de ses recherches, Gipsa-lab est en relation directe et constante avec le milieu économique et la société.
Son potentiel d’enseignants-chercheurs et chercheurs est investi dans la formation au niveau des universités et écoles d’ingénieurs du site grenoblois (Université Grenoble Alpes).
Gipsa-lab développe ses recherches au travers de 16 équipes ou thèmes organisés en 4 pôles :
• Automatique et Diagnostic (PAD)
• Science des Données (PSD)
• Parole et Cognition (PPC)
• Géométries, Apprentissage, Information et Algorithmes (GAIA).
Le personnel accompagnant la recherche (38 ingénieurs et techniciens) est réparti dans les services communs répartis au sein de 2 pôles :
• Le Pôle Administratif et Financier
• Le Pôle Technique
Gipsa-lab compte environ 150 permanents dont 70 enseignants-chercheurs et 41 chercheurs. Il accueille également des chercheurs invités, des post-doctorants.
Gipsa-lab encadre près de 150 thèses dont environ 50 nouvelles chaque année. Toutes les thèses effectuées au laboratoire sont financées et encadrées par des enseignants-chercheurs et chercheurs dont 50 titulaires d’une HDR.
Enfin, une soixantaine de stagiaires de Master vient chaque printemps grossir les rangs du laboratoire.
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
Contraintes et risques
Pas de contraintes ou risques spécifiques à ce projet
En cliquant sur "JE DÉPOSE MON CV", vous acceptez nos CGU et déclarez avoir pris connaissance de la politique de protection des données du site jobijoba.com.