Evaluation et correction de la contamination inter-fibre des spectromètres multiplexés des futures relevés cosmologiques

La cosmologie de précision nécessite fondamentalement des millions de redshift de galaxies, obtenus soit par spectroscopie sans fente, soit par des relevés spectroscopiques multi-fibres à grande échelle. Bien que la spectroscopie sans fente ait l'avantage de fournir des spectres pour toutes les sources présentes dans le champ de vue dont le signal suffisant, elle est gravement affectée par la contamination en provenance des traces spectrales en provenances d'objets voisins qui se chevauchent les unes entre les autres. La spectroscopie multi-fibres, en revanche, cible des objets spécifiques, éliminant pratiquement la contamination. Cependant, elle nécessite des temps d'acquisition nettement plus longs pour accumuler suffisamment de spectre afin atteindre le niveau de statistique nécessaire à la cosmologie de précision. Parce que l'erreur statistique diminue avec la taille de l'échantillon, chaque génération d'instruments augmente son nombre de fibres et sa densité de fibres pour observer plus d'objets par exposition : SDSS (320 fibres), BOSS (1000), DESI (5000). Les spectrogaphes de nouvelle génération (MUST, Spec-S5, WST) poussent au delà de 2000 fibres/deg² car augmenté la densité de multiplexage reste le seul moyen pratique d'atteindre la profondeur de relevé requise sans augmenter proportionnellement le temps d'observation.

Cependant, cette densification atteind des limites physique. Les ailes des fonction d'étalement des points de chaque fibre débordent sur les spectre voisin entraînant une contamination inter-fibres : le spectre mesuré dans chaque fibre devient un mélange linéaire de lumière provenant des fibres voisines. D'autre part, avec des relevés spectroscopiques qui sondent des galaxies de plus en plus faibles intensité pour atteindre des profondeurs plus élevés, les spectres des galaxies cibles se retrouvent fortement contaminé par le spectre des objet d'avant plan dont le flux est beaucoup plus élevé.

La cosmologie de génération IV nécessite des mesure de redshift non biaisées. Or, la collaboration DESI a montré qu'une contamination de 15% biaise déjà la mesure du redshift au-delà du budget alloué – avec des taux d'échec de 2–5% pour les objets contaminés. À des niveau densités de fibres d'un relevé spectroscopique de génération V, la contamination inter-fibre doit être corrigée algorithmiquement, en résolvant un problème inverse mal posé dans lequel A est grand, mal conditionné, et variable en longueur d'onde, position dans le plan focal, et dans le temps. L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'impact de la contamination inter-fibres sur la mesure du redshift et des paramètres cosmologiques afin de développer des méthodes corrections.

PLAN DE RECHERCHE

La thèse caractérisera la contamination inter-fibres et son impact sur les mesure de redshift, puis évaluera les stratégies de correction, en quatre étapes :

1. Construire un modèle optique prédictif de la contamination inter-fibre à partir de simulations de raytracing (type Zemax), applicable à MUST.

2. Développer et comparer des algorithmes d'extraction (extraction optimale multi-fibres, pipeline d'extraction d'apprentissage automatique, inférence conjointe bayésienne/MCMC, ...) qui extrait des spectres propres à partir de données contaminées, en testant leur précision et leur coût calculatoir.

3. Tester et valider les algorithmes de correction sur des données simulées, puis sur des données réelles de l'instrument MUST.

4. Propager la contamination résiduelle à travers des catalogues de galaxies synthétiques pour quantifier son impact sur les contraintes cosmologiques.

IMPACT ATTENDU

Ce travail fournira la validation de la précision du redshift et le pipeline de correction requis pour que MUST atteigne ses objectifs cosmologiques. Au-delà de MUST, le candidat au doctorat acquerra une expertise approfondie en traitement des données spectroscopiques et en validation de la mesure du redshift directement applicable à tout relevé multi-fibres. À mesure que les spectrogaphes de nouvelle génération se tournent vers des densités de fibres toujours plus élevées, ces méthodes deviendront de plus en plus essentielles pour maintenir la qualité des données dans les instruments de plus en plus multiplexés.

ÉQUIPE D'ACCUEIL

Le doctorat sera supervisé par W. Gillard, qui dirige le groupe RENOIR au CPPM (Marseille). Le groupe comprend environ 34 personnes couvrant l'ensemble de la chaîne de la caractérisation des détecteurs et du développement instrumental à l'inférence cosmologique, avec des contributions à Euclid, DESI, Vera C. Rubin/LSST, ZTF et LISA. Cette thèse se situe à l'interface entre l'instrument et la cosmologie, précisément là où se le groupe possède une grande expertise. Du côté instrumental, le groupe RENOIR est engagé depuis 2014 avec le LAM, l'OHP et Bertin/Winlight, dans la construction des dix spectrogaphes de DESI et exploite maintenant les données DR1 et DR2 qu'ils ont produites ; il a également contribué à la construction de l'instrument NISP à bord du satellite Euclid, en assumant la responsabilité de son plan focal, de la caractérisation de ses détecteurs infrarouges et de sa calibration spectroscopique au sol. Du côté de l'analyse, W. Gillard est le scientifique responsable de l'instrument NISP d'Euclid, engagé dans la coordination de l'équipe opérationnelle des instruments d'Euclid et responsable de la qualité des données NISP et de sa calibration. Il est aussi PI du projet ANR DlSPERS, dédié au traitement par apprentissage automatique des images produites par des spectromètre sans fente – une problématique proche de celle abordé dans cette proposition de thèse. Le groupe est membre d'un consortium français se formant autour de MUST, et collabore avec Bertin/Winlight sur la caractérisation et la validation des premiers spectrogaphes MUST.