Contraintes cosmologiques à partir de supernovae lentillées dans l'ère Euclid-LSST

La constante de Hubble H₀ – une discordance de  ∼ 5σ entre les mesures de l'univers primitif (CMB) et de l'univers actuel (supernovae/Céphéides) – représente l'une des anomalies les plus importantes de la cosmologie moderne. Résoudre cette tension nécessite des sondes indépendantes de H₀. Les images fortements lentillés par les effets de lentilles gravitationnelles sur des objets transitoires fournissent précisément une telle sonde : la mesure des délais temporels entre les différentes images d'objet transitoires tel que les supernovae, permet de contraindre H₀. Cette méthode est théoriquement immunisée contre les modèle cosmologique et offre une sensibilité à H₀ complémentaire.

Cependant, les sources transitoires qui se retrouve lentillées sont rares – seuls  ∼ 20 systèmes pour lesquels il existe des mesures de délai temporel sont actuellement connus – et leur exploitation reste limitée par (1) l'échantillonnage clairsemé des courbes de lumière, qui dégrade la précision du délai temporel ; (2) les dégénérescences dans la modélisation de masse de la lentille, qui se propagent dans les incertitudes de H₀ ; et (3) l'hétérogénéité de la calibration photométrique et de la caractérisation spectroscopique sur les données de suivi de diverses installations, biaisent l'inférence cosmologique.

L'avènement d'Euclid et du LSST transforme ce paysage. Euclid identifiera des millions de candidats fortement lentillés grâce à son imagerie de haute résolution ; LSST découvrira les objet transitoires en quasi-temps réel. Leur synergie permet la découverte entre 50 à 100 objet transitoires lentillés par an, principalement des SNIa. Un nombre suffisant pour atteindre des contraintes compétitives sur la mesure de H₀ et briser les dégénérescences. De plus, les supernovae de type Ia fournissent une échelle de luminosité absolue qui aide à atténuer les dégénérescences dans la modélisation de masse de la lentille. Un candidat au doctorat rejoindra le groupe de travail « Lensed-transiant » du Consortium Euclid ou il y développera l'infrastructure statistique et les outils de traitement pour convertir ce flux de découvertes en cosmologie de précision.

PLAN DE RECHERCHE

La thèse développera des méthodes pour extraire les contraintes cosmologiques – en particulier H₀ – d'échantillons hétérogènes de transitoires lentillé dans le cadre du Consortium Euclid. Le travail est structuré en quatre étapes :

1 Modélisation de masse de la lentille et atténuation de la dégénérescence : Construire un framework hiérarchique bayésien flexible pour la reconstruction de masse de la lentille qui intègre l'imagerie haute résolution d'Euclid et les redshift spectroscopiques pour réduire les dégénérescences. Quantifier comment la précision morphologique d'Euclid et les données spectroscopiques contraignent la géométrie des lentilles, et propager ces contraintes dans les incertitudes de H₀.

2 Mesurer et calibrer le délai temporel photométrique : Développer des algorithmes robustes pour extraire les délais temporels précis de la photométrie multi-bande a partir des données de LSST, tenant compte de la variabilité intrinsèque de la source, de la microlentille, et des incertitudes de calibration photométrique sur les installations. Implémenter des stratégies de suivi adaptatif qui maximisent le rapport signal-bruit du délai temporel. Établir des protocoles de mesure photométriques standardisés (coordonnés via DESC/SLSC) pour minimiser les biais systématiques dans les ensembles de données multi-époque.

3 Inférence cosmologique à partir des populations observées : Construire un framework d'inférence cosmologique pour évaluer H₀, les paramètres d'équation d'état (w₀, w_a), et la courbure spatiale. Tenir compte des effets de sélection et des biais dépendants du redshift. Quantifier la précision attendue de H₀ en fonction de la taille de l'échantillon et de la précision photométrique, et comparer les prévisions avec les autres sondes.

4 Validation et intégration dans le groupe de travail : Tester les méthodes sur les systèmes lensés existants (H1413+117, RXJ1131-1231, etc.), valider sur des courbes de lumière synthétiques à partir de simulations, et appliquer aux observations d'objet transitoire LSST coincident spatialement avec des objet des catalogues de lentilles d'Euclid au fur et à mesure de leur émergence.

IMPACT ATTENDU

Ce travail établira Euclid et le LSST comme contributeurs principaux à la résolution de la tension de H₀, fournissant des mesures de précision de la constante de Hubble qui sont compétitives ou dépassent les méthodes existantes tout en restant indépendantes des modèles cosmologique. Le candidat au doctorat deviendra un membre central du groupe de travail au sein du Consortium Euclid, acquérant une expérience de leadership dans les relevés cosmologiques multi-institutionnels et contribuant directement aux objectifs scientifiques primaires d'Euclid et LSST.

Au-delà de H₀, la cosmographie avec les objet transitoires lentillés contraint les propriétés de l'énergie noire, teste les théories de la gravité modifiée, et sonde les distributions de masse internes des galaxies – ouvrant des fenêtres complémentaires sur la physique fondamentale. L'expertise développée dans cette thèse s'applique largement au mesures cosmologiques réalisées avec d'autres sondes. Comme le LSST et les relevés futurs vont découvrir un grand nombre d'objets transitoires, l'infrastructure et les techniques développées ici deviendront des points de référence pour l'inférence cosmologique automatisée dans l'astrophysique des domaines temporels.

Le candidat au doctorat publiera des articles sur les contraintes de H₀ dans le cadre du Consortium Euclid, co-auteur des publications conjointes DESC/SLSC sur les transitoires, et contribuera aux logiciels open source pour le triage des transitoires et la modélisation cosmologique – les positionnant comme un expert de premier plan en analyse cosmologique temporelle avec des lentilles gravitationnelles.

ÉQUIPE D'ACCUEIL

Le doctorat sera supervisé par W. Gillard et D. Fouchez, tous deux membres des collaborations Euclid et Vera C. Rubin/LSST, au sein du groupe RENOIR au CPPM (Marseille). Le groupe comprend environ 34 personnes couvrant l'ensemble de la chaîne de la caractérisation des détecteurs à l'inférence cosmologique, avec des contributions à Euclid, LSST, DESI, ZTF et LISA. W. Gillard, qui dirige le groupe, est le responsable scientifique de l'instrument NISP d'Euclid : il participe aux activité de coordination de l'équipe opérationnelle des instruments d'Euclid et est responsable de la qualité des données NISP. D. Fouchez dirige les activités du groupe sur le LSST et siège au Conseil consultatif DESC.

La cosmologie avec les supernovae est l'une des activités principales du groupe RENOIR : le groupe a construit le changeur de filtres automatisé de la caméra LSST, finalisé l'étalonnage photométrique de ZTF – dont les données publiées en 2025 fournit le plus grand échantillon de supernovae de type Ia jamais observés – et développe des méthodes d'apprentissage automatique pour la détection, la classification et les mesures de redshift photométriques des supernovae, maintenant utilisées dans DESC.