Study of stellar and exoplanetary radio bursts with next-generation radio interferometers (h/f)

Informations générales

Intitulé de l'offre : Study Of Stellar And Exoplanetary Radio Bursts With Next-Generation Radio Interferometers (H/F)
Référence : UMR8254-SYLDES-013
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : MEUDON
Date de publication : mardi 16 septembre 2025
Type de contrat : CDD Doctorant
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2025
Quotité de travail : Complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 2200,00 € mensuel
Section(s) CN : 17 - Système solaire et univers lointain

Description du sujet de thèse

Jusqu’à la détection de la première exoplanète autour d’une étoile autre que le Soleil en 1995, le système solaire était notre seul laboratoire pour comprendre la formation et la nature des planètes. Trente ans plus tard, plus de 6 000 exoplanètes ont été découvertes en orbite autour d’environ 4 500 étoiles, et ces systèmes montrent une diversité riche et inattendue. La plupart d’entre elles ont été découvertes en utilisant les méthodes de vitesse radiale (RV) et de transits. La détection des émissions radio provenant de systèmes exoplanétaires pourrait constituer une nouvelle méthode de détection d’exoplanètes, tout en fournissant des informations complémentaires jusqu’ici inaccessibles, telles que l’intensité du champ magnétique, la structure interne et les régimes des dynamos planétaires, la période de rotation, le verrouillage spin-orbite, les énergies d’interaction étoile-planète, et des contraintes possibles sur l’habitabilité des planètes.
Certains sursauts stellaires sont d’ores et déjà détectés dans le domaine radio à des fréquences ≥600 MHz, et proviennent de processus dynamiques ou éruptifs complexes dans les atmosphères des étoiles. Les fréquences radio plus basses permettent d’explorer les enveloppes stellaires externes, les éjections de masse coronale (CME) et divers autres processus d’accélération et d’instabilité. Les interactions étoile-planète et leurs émissions aurorales associées devraient quant-à elles produire des sources fortement polarisées circulairement à des fréquences de l’ordre de ~100 MHz via l’instabilité maser cyclotron (IMC). Mais seules les planètes de notre système solaire ont été étudiées en détails en ondes radio. L’IMC y produit des sursauts radio à large bande, de basse fréquence, intenses, anisotropiquement collimatés et entièrement elliptiques ou fortement polarisés circulairement (voir (Zarka, 1998) pour une revue).
Cette thèse vise à approfondir notre compréhension des environnements stellaires et des interactions étoile-planète grâce à l’étude de leurs émissions radio basse fréquence. En exploitant les relevés LoTSS-wide et LoTSS-deep réalisés par LOFAR à 120-165 MHz (Shimwell et al., 2017; Tasse et al., 2021; Shimwell et al., 2022), nous développerons des méthodes avancées pour détecter et analyser des sursauts radio stellaires, améliorant l’approche mise au point pour l’analyse des premières releases LoTSS DR1-2. Ces travaux permettront d’augmenter significativement la taille des échantillons étudiés et de mieux contraindre les propriétés des populations stellaires émettrices et les mécanismes physiques à l’origine de ces émissions. L’arrivée de LOFAR 2.0 en 2026 offrira des observations plus sensibles et à plus basses fréquences, élargissant les capacités d’analyse des émissions radio. Ces travaux prépareront l’exploitation du Square Kilometer Array (SKA) dès 2030, qui permettra une synthèse avancée des spectres dynamiques, ouvrant l’accès à des phénomènes encore plus faibles et rares. Ce projet vise ainsi à étudier un espace des paramètres largement inexploré. Ces travaux préfigurent une nouvelle ère dans l’étude des interactions plasma étoile-planète, avec des implications majeures pour la compréhension des environnements stellaires, des champs magnétiques des exoplanètes, et de leur habitabilité.
Grâce à notre nouvelle méthode récemment développée, qui permet de suivre de très grands échantillons de systèmes stellaires simultanément à partir des données produites par des interféromètres radio, nous avons produit des centaines de milliers de spectres dynamiques (temps-fréquence) depuis 2016 à partir de données LOFAR. Deux premiers articles exposent des découvertes prometteuses : l’identification d’une population d'étoiles émettant des sursauts radio hautement polarisés circulairement, certains potentiellement produits par des interactions étoile-planète (Tasse et al., 2025), et la découverte du premier sursaut stellaire de type II (Callingham et al., 2025). La thèse proposée vise à approfondir cette analyse, à étendre son champ d’application et à lever les limitations des travaux préliminaires:
•Analyse des données du relevé LoTSS-deep, qui offre des temps d’intégration beaucoup plus longs (centaines d’heures par pointé, contre seulement 8 heures dans nos études préliminaires), permettant de suivre des systèmes individuels sur des échelles de temps plus longues, afin de rechercher des variations à long terme ou des signatures périodiques dans les émissions radio.
•Application de notre méthode à l’analyse de la deuxième moitié des données LoTSS-wide, récemment pré-traitées (synthèse des images et des spectres dynamiques), doublant la taille des échantillons étudiés, et offrant ainsi l’opportunité d’explorer les statistiques des émissions radio à basse fréquence sur une population beaucoup plus vaste (distribution des différents types de sursauts radio détectés, identification des mécanismes physiques sous-jacents à ces émissions).
•Une attention particulière sera portée aux champs de Kepler, qui contiennent des milliers de planètes de petites masses connues, et plus généralement sur une dizaine de champs situés dans le plan Galactique.
•Il sera enfin possible d'analyser la variabilité des spectres dynamiques pour notamment les comparer aux prédictions physiques les plus récentes (Mauduit et al., 2023 ; Mauduit, 2024), adossées à une nouvelle base de données de champs magnétiques stellaires (et une méthode d'estimation des champs non mesurés), pour dégager les lois gouvernant ces émissions radio.
Au plan méthodologique, on étudiera l'effet des erreurs résiduelles de calibration en synthétisant des spectres dynamiques à des distances variables des sources brillantes dans le champ de vue, afin de construire un critère de détection optimal et efficace, qui pourra être utilisée sur d’autres radiotélescopes (notamment SKA).


Contexte de travail

La thèse sera co-encadrée par Philippe ZARKA (Directeur de Recherche CNRS à l’Observatoire Paris, LIRA, Meudon) pour la partie interprétation/modélisation/théorie des émissions stellaires et exoplanétaires et Cyril TASSE (Astronome Adjoint à l’Observatoire Paris, LUX, Meudon, et à l’IRISA, Rennes) pour la partie interférométrie radio et traitement du signal.
L’encadrement inclura des points d'avancement réguliers, un comité de suivi de thèse au LIRA, la participation aux réunions de projet LOFAR, NenuFAR, conférences SKA, séminaires, et formation doctorale. Au-delà des 2 encadrants complémentaires, des collaborations sont prévues avec les chercheurs et ingénieurs impliqués dans LOFAR, NenuFAR et SKA, et les communautés exoplanétaire et stellaire françaises, riches et diverses.
La thèse ouvre à des collaborations internationales dans le contexte de LOFAR 2.0 (Harish Vedantham et al., ASTRON, Pays-Bas), MeerKAT et SKA (Oleg Smirnov et al., SARAO, Afrique du Sud).
Elle est financée par le LIRA, qui assure par ailleurs un soutien optimal à ses doctorants.

Contraintes et risques

L’approche novatrice que nous avons développée à l’Observatoire de Paris permet d’exploiter pleinement les grands relevés radio tels que LoTSS, ouvrant ainsi un champ de recherche immense et encore largement inexploré, qui amènera sans aucun doute de nombreux résultats scientifiques.
Nous prendrons soin à ce que l’encadrement bicéphale soit bien équilibré. La thèse se déroulera principalement sur le site de Meudon de l’Observatoire de Paris, avec des visites occasionnelles possibles à Rennes, (IRISA), à l'Observatoire Radioastronomique de Nançay (site de LOFAR-France et NenuFAR, à 200 km au sud de Paris), pour réunions ou « busy weeks ». La participation à des conférences et colloques nationaux et internationaux pour présenter les résultats obtenus sera encouragée (et les missions correspondantes financées).
Cette thèse à l'intersection de l'astrophysique, du traitement du signal et de l'instrumentation radio, nécessite un candidat motivé et doté d'une solide formation scientifique sanctionnée par un Master 2 (Astrophysique., Plasmas, Traitement du signal). Les compétences suivantes sont particulièrement recherchées :
Compétences scientifiques : Solides bases de physique et d’astrophysique (notions sur les plasmas, processus d’émission et ondes radio), capacité à relier les résultats expérimentaux à des modèles théoriques, bonnes connaissances en analyse et traitement du signal (filtrage, détection de transitoires…), familiarité avec les principes de fonctionnement des interféromètres radio ou intérêt marqué pour apprendre, esprit critique (interpréter des données complexes, poser des hypothèses et à évaluer leur validité en s'appuyant sur une démarche scientifique rigoureuse), compétences en rédaction et présentation (pour publier les résultats dans des revues spécialisées et participer à des conférences).
Compétences techniques : Maîtrise de Python (notamment les bibliothèques NumPy, SciPy, Matplotlib ou Astropy) pour le développement d'outils d'analyse de données, la manipulation de grandes bases de données astrophysiques et l'automatisation des processus de traitement ; Confort avec l'utilisation d'environnements Linux pour le traitement de données (transport de données), l'installation de logiciels scientifiques (environnement virtuels) et l'exécution de tâches sur des serveurs ou clusters de calcul.
Qualités personnelles : Capacité à travailler de manière indépendante, curiosité pour l’exploration de nouvelles approches et idées pour résoudre des problèmes complexes, aptitude à collaborer avec des équipes pluridisciplinaires, notamment au sein de collaborations internationales comme LOFAR et SKA, et donc une bonne maîtrise de l’anglais, en plus du français.