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.

La constante de Hubble $H_0$ – une discordance de $\sim 5\sigma$ 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 $H_0$ . 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 $H_0$ . Cette méthode est théoriquement immunisée contre les modèle cosmologique et offre une sensibilité à $H_0$ complémentaire.

Cependant, les sources transitoires qui se retrouve lentillées sont rares – seuls $\sim 20$ 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 $H_0$ ; 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 $H_0$ 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 $H_0$ – 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 $H_0$ .

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 $H_0$ , les paramètres d'équation d'état $(w_0, w_a)$ , et la courbure spatiale. Tenir compte des effets de sélection et des biais dépendants du redshift. Quantifier la précision attendue de $H_0$ 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 $H_0$ , 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 $H_0$ , 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 $H_0$ 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.