F3 : L’Univers catastrophique transitoire

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  • Notre capacité à étudier des phénomènes transitoires, sur des échelles temporelle de la milliseconde à plusieurs années, a considérablement augmenté ces derniers temps. Ces progrès représentent un énorme potentiel de découvertes. A ce jour, la variabilité temporelle des objets astrophysiques n’a été explorée que très partiellement. Les satellites Fermi et Swift ouvrent la voie à hautes énergies, le premier en cartographiant l’ensemble du ciel toutes les 3 heures et le dernier grâce à sa capacité de réaction rapide à plusieurs longueurs d’onde.
    black_holes_merge_0.jpgAvec la construction d’imageurs dédiés à la surveillance globale et quotidienne du ciel en radio (LOFAR, ASKAP, MeerKAT), optique (Pan-STARRS, LSST), infrarouge (Akari), rayons X (eRosita/SRG) et en gamma avec Fermi, il existe de nouvelles motivations pour explorer les sources transitoires. La découverte de transitoires rapides en constitue une, car cela pourrait représenter une nouvelle classe de sources explosives et/ou exotiques à des distances cosmologiques, comme la coalescence d’étoile à neutrons ou l’évaporation de trous noirs.

    Lors de la prochaine décennie, la combinaison d’une sensibilité accrue, de champs de vue plus grands et des développements algorithmiques va ouvrir le domaine temporel à de nouveaux champs de l’astrophysique : des sursauts stellaires aux supernovae en passant par la naissance des trous noirs et des étoiles à neutrons, ou tous phénomènes explosifs connus ou voire même totalement inconnus. Des recherches en coïncidence avec des détecteurs de neutrinos et d’ondes gravitationnelles seront poursuivies à travers le monde. Les évènements cosmiques variables représente la nouvelle terra incognita de l’astrophysique du 21ème siècle.

    La radioastronomie dirige actuellement ces efforts. La science des sources transitoires a été reconnue comme projet clé pour les nouveaux télescopes LOFAR (Europe), ASKAP (Australie) et MeerKAT (Afrique du Sud), qui sont les précurseurs de l’énorme projet international SKA devant être construit à la fin de cette décennie. Le rayonnement radio synchrotron sonde avec une résolution angulaire inégalée les sources compactes explosives souvent associées à des éjections de particules relativistes. Ces observatoires permettent aussi de sonder leur rétroaction sur l’environnement immédiat.

     

    Vue artistique d’une petite partie du réseau de télescope radio SKA (une décision au sujet de la sélection du site de SKA – Australie et/ou Afrique du Sud – doit être prise dans les prochains mois).

    LOFAR est un radio télescope actuellement en construction aux Pays Bas et dans les pays voisins.

    Des améliorations algorithmiques pour la détection des transitoires sont primordiales afin d’utiliser pleinement les nouvelles capacités offertes par ces nouveaux télescopes radio. De même, il est aussi nécessaire d’innover dans le domaine du stockage du volume considérable de données attendu ou dans le domaine de l’imagerie en temps réel pour la détection des sources transitoires. Les équipes LOFAR sont actuellement au travail pour réaliser les développements de ces premières générations de logiciels. La caractérisation de ces transitoires, ainsi que leur identification à d’autres longueurs d’ondes, représentent un autre challenge qu’il est nécessaire d’accomplir afin de bien cerner une nouvelle réalité physique.

     

    Image de la station LOFAR basse fréquence de Nançay en France

     

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    POSITION NOM Laboratoire Grade/employeur
    WP leader Corbel Stéphane AIM Enseignant-chercheur, Université Paris Diderot
    WP co-leader Grenier Isabelle AIM Enseignant-chercheur, Université Paris Diderot
    WP co-leader Starck Jean-Luc AIM Chercheur/CEA
    WP membre Girard Julien AIM Enseignant-chercheur, Université Paris Diderot
    WP membre Migliori Giulia AIM Post-doc, LabEx UnivEarthS (Dec 14-Dec 17)
    WP membre Loh Alan LESIA Post-doc LESIA/OP (précédemment doctorant AIM )
    WP membre Jiang Ming AIM Doctorant (Recruté Oct 14)
    WP membre Evangelia Tremou AIM Nouveau post-doc (Recruté Nov 17)
    WP membre Floriane Cangemi AIM Nouveau Doctorant (Recruté Oct 17)
    WP membre Pires Sandrine AIM Chercheur/CEA
    WP membre Bobin Jérôme AIM Chercheur/CEA
    WP membre Rodriguez Jérôme AIM Chercheur/CEA

    En partenariat avec Cyril Tasse (GEPI, Observatoire de Paris) et le LOFAR (TKP), et les collaborations MeerKAT (ThunderKAT) et ASKAP(VAST).

     

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    De nouveaux et grands radiotélescopes, qui sont actuellement développés et construits, observeront l’ensemble du spectre radioélectrique avec une résolution spectrale, angulaire et surtout temporelle sans précédent. Ils représentent une énorme amélioration technique par rapport aux technologies passées et un défi de traitement des données pour les utilisateurs qui nécessiterait des performances comparables, similaires à ce qui est développé pour les problèmes de « grandes données ». A un stade précoce, le projet Frontier FP3 a réalisé le développement d’outils pour produire des cartes radio 2D robustes et a étendu le champ d’application pour produire deux imageurs supplémentaires travaillant sur des données 3D : l’un dédié à la détection et à l’imagerie transitoire, l’autre à l’imagerie radio hyperspectrale. Dans sa phase finale, l’objectif principal du FP3 est d’appliquer ces nouveaux outils à un large éventail d’applications en radio-interférométrie pour générer des produits scientifiques et étudier les processus physiques associés (dans le temps ou en fréquence).

    Développements algorithmiques :

    Dans l’ère actuelle 2010-2020, les équipes scientifiques qui exploitent les grands ensembles de données générés par des instruments à l’échelle continentale (tels que LOFAR, MeerKAT, les précurseurs sud-africains ou SKA1-MID) doivent faire face à un énorme défi d’étalonnage des données radio et d’imagerie. Du côté de l’image/déconvolution, nous avons démontré avec les produits du passé générés par le FP3, que le cadre de détection compressé pourrait apporter une meilleure reconstruction d’image avec de faibles résidus[Garsden et al., 2015 ; Girard et al., 2015], tout en prenant en compte certains des effets dépendants de la direction par projection W et projections A.

    Développements scientifiques

    Après cet effort important du côté algorithmique du projet, nous avons également poursuivi l’exploitation scientifique de diverses installations de radio et de haute énergie afin de sonder l’émission transitoire d’une large gamme d’objets astrophysiques (galactiques ou extragalactiques). La physique des jets relativistes représente un axe principal de notre recherche (étant fréquemment associé aux émissions radio transitoires). En adoptant une approche observationnelle, nous cherchons à comprendre comment, dans les trous noirs stellaires et supermassifs, les jets se forment, évoluent et interagissent avec leur environnement.

    Le travail de base théorique et numérique passé et actuel réalisé sur la déconvolution 2D, 2D-1D et hyperspectrale, a bénéficié du soutien du financement du Labex UnivEarthS, alloué aux ressources humaines et à la participation à des ateliers spécialisés (Jiang, Girard), des conférences (Girard, Jiang, Starck, Corbel) sur les thèmes de la détection comprimée, de l’imagerie par radio interférométrie et du traitement d’images. Le LabEx a permis à deux équipes très différentes d’apporter leur propre expertise dans ce projet innovant. En 2015/2016, JG s’est vu offrir une bourse post-doctorale et a travaillé chez SKA Afrique du Sud, sur l’intégration de notre code CS développé dans un candidat imageur SKA (DDFacet, C. Tasse, en rév.) et a bénéficié d’interactions régulières avec l’équipe du projet (supervision de la thèse de doctorat Jiang, production des résultats de l’étude 2D-1D). Il a été engagé comme Ass. Prof. à l’Univ. Paris Diderot.

    On s’efforce actuellement d’appliquer toutes les méthodes décrites à un ensemble de données réelles pour la production scientifique. Nous visons tout particulièrement le cas scientifique suivant :

    • Imagerie des transitoires rapides :
    • Accélération du code
    • De l’imagerie à faible densité à l’étalonnage à faible densité
    • Exploitation scientifique de diverses installations radio (avec un accent particulier sur MeerKAT et NenuFAR).

    Par conséquent, dans la période de financement finale, nous réaliserons les études dans la direction de l’exploitation scientifique de MeerKAT et NenuFAR et l’application de la méthode hyperspectrale 2D-1D, qui devrait ouvrir de nouvelles perspectives (comme la contrepartie électromagnétique d’événements d’ondes gravitationnelles ou d’autres types de transitoires à découvrir avec MeerKAT) pour le suivi après UnivEarthS.

     

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    Publications dans des journaux à comité de lecture:

     

    2014:

    • Curran, P.A. …Corbel, S. et al. The evolving polarized jet of black hole candidate Swift J174526, 2014, MNRAS, 437, 3265
    • Bassa, C. … Corbel, S. et al. A state change in the low-mass X-ray binary XSS J122704859 2014, MNRAS, 441, 1825
    • Marlowe, H. … Corbel, S. et al. Spectral state transitions of the Ultraluminous X-ray Source IC 342 X-1, 2014, MNRAS, 444, 642
    • Gallo, E. … Corbel, S. et al. The radio/X-ray domain of black hole X-ray binaries at the lowest radio luminosities, 2014, MNRAS, 445, 290
    • Cseh, D. …, Corbel, S. et al. On the radio properties of the intermediate mass black hole ESO 243-49 HLX-1 2014, MNRAS, 446, 3268

     

    2015:

    • Garsden, H., Girard, J., Starck, J.L., Corbel, S. et al. “LOFAR Sparse Image Reconstruction, 2015, A&A 575, A90.
    • Swinbank, J.D., … Garsden, H., Corbel, S. et al. “The LOFAR transients pipeline”, A&C, 2015, 11, 25
    • Cseh, D. …, Corbel, S. et al. “The evolution of a jet ejection of the ultraluminous X-ray source Holmberg II X-1”, 2015, MNRAS, 452, 24.
    • Rahoui, F, … Corbel, S. et al. “Optical and near-infrared spectroscopy of the black hole Swift J1753.5-0127”, 2015, ApJ, 810, 161.
    • Tomsick, J.A., … Corbel, S. et al. “The Accreting Black Hole Swift J1753.5–0127 from Radio to Hard X-Ray”, 2015, ApJ, 808, 85.
    • Russell, T. D. … Corbel, S. et al. “Radio monitoring of the hard state jets in the 2011 outburst of MAXI J1836−194”, 2015, MNRAS, 450, 1745.
    • Rodriguez, J., … Corbel, S. et al. “Correlated optical, X-ray, and gamma-ray flaring activity seen with INTEGRAL during the 2015 outburst of V404 Cygni”, A&A, 581, L9.

     

    2016:

    • Loh,, Corbel, S., Dubus, G., Rodriguez, J., Grenier, I., Hovatta, T., Pearson, T., Readhead, A., Fender, R., Mooley, K. “High-energy gamma-ray observations of the accreting black hole V404 Cygni during its 2015 June outburst”, 2016, MNRAS, 462, L111.
    • Carbone, D., ., … Corbel, S. et al. “New methods to constrain the radio transient rate: results from a survey of four fields with LOFAR”, MNRAS, 459, 316.
    • Broderick, J.W., … Corbel, S. et al. “Low-radio-frequency eclipses of the redback pulsar J2215+5135 observed in the image plane with LOFAR», 2016, MNRAS, 459, 2681.
    • Del Santo, M., … Corbel, S, … Rodriguez, J. et al. “Spectral and timing evolution of the bright failed outburst of the transient black hole Swift J174510.8-262411» 2016, MNRAS, 456, 3585.
    • Stewart, A. … Corbel, S. et al. “LOFAR MSSS: detection of a low-frequency radio transient in 400 h of monitoring of the North Celestial Pole» 2016, MNRAS, 456, 2321.
    • Marcotte, B. … Corbel, S. et al. “Orbital and superorbital variability of LS I +61 303 at low radio frequencies with GMRT and LOFAR», 2016, MNRAS, 456, 1791.
    • Migliori, G., …, Loh, A., Corbel, S. et al. « First Detection in Gamma-Rays of a Young Radio Galaxy: Fermi-LAT Observations of the Compact Symmetric Object PKS 1718-649» 2016, ApJ, 821, 103.
    • Rana, V., Loh, A., Corbel, S. et al. “Characterizing X-Ray and Radio Emission in the Black Hole X-Ray Binary V404 Cygni during Quiescence», 2016, ApJ, 821, 103.
    • Girard, J., … Corbel, S. et al., “Imaging Jupiter’s radiation belts down to 127 MHz with LOFAR”, 2016, A&A, 587, 3.
    • Kondratiev, V.I. … Corbel, S. et al. “A LOFAR Census of Millisecond Pulsars”, 2016, A&A, 585, 128.
    • Siemiginowska, A., … Migliori G. et al. “X-Ray properties of the youngest radio sources and their environments”, 2016, ApJ, 823, 57.
    • Migliori, G, « The high-energy view of young radio sources: X-ray and gamma-ray observations» 2016, AN, 337, 52.
    • Füerst, F. …Corbel, S., … Loh, A. et al. “GRS 1739-278 observed at very low luminosity with XMM-Newton and NuSTAR», 2016, ApJ, 832, 115.

     

    2017:

    • Migliori, G., Corbel, S., Tomsick, J. A., Kaaret, P., Fender, R. P., Tzioumis, A. K., Coriat, M., Orosz, J. A. 2017, Mon. Not. R. Astron. Soc. 472, 141, “ Evolving morphology of the large-scale relativistic jets from XTE J1550-564”
    • Egron, E. et al. (incluant S. Corbel) 2017, Mon. Not. R. Astron. Soc., 471, 2703, « Single-dish and VLBI observations of Cygnus X-3 during the 2016 giant flare episode”
    • Loh, A., Corbel, S., Dubus, G., 2017, Mon. Not. R. Astron. Soc., 467, 4462, « Fermi/LAT detection of a transient gamma-ray flare in the vicinity of the binary star DG CVn »
    • Coughlam, C.P. et al. (incluant S. Corbel) 2017, Astrophys. J., 834, 206 «  A LOFAR Detection of the Low-mass Young Star T Tau at 149 MHz »
    • Margutti, R.… Migliori, G. et al « X-rays from the location of the Double-humped Transient ASASSN-15lh », 2017, ApJ, 836, 25

     

     

    Actes de colloques ou de conférences présentés par l’équipe:

    • LSS/NenuFAR: The LOFAR Super Station project in Nançay, SF2A-2012: Proceedings of the Annual meeting of the French Society of Astronomy and Astrophysics (link)
    • Sparse representations and convex optimization as tools for LOFAR radio interferometric imaging, JINST, (INFIERI2014, Paris) (in press) (link)
    • Compressed Sensing and Radio interferometry, (EUSIPCO 2015, Nice) (in press)
    • Detection of radio transients using sparse reconstruction technics, SF2A-2015 (in prep) (link)

    Présentations des travaux lors:

    • LOFAR TKP (Transient Key Project) meeting – Amsterdam (Nl) – 3 au 5 décembre 2012. SC + HG présents. Présentation par HG (site web ici)
    • Joint meeting of LOFAR TKP, ThunderKAT and TRAPUM – Oxford (GB) – 12 au 15 Juin 2012. HG présent. Presentation par HG (site web ici)
    • Journée de l’Action Spécifique SKA-LOFAR lors des journées de la SF2A à Nice le 6 juin 2012. SC + HG présents. Présentations par SC et HG (site web ici)
    • Techniques for Radio Weak Lensing meeting – Manchester – 6 au 7 octobre 2014 – Manchester. JLS + JG présents. Présentation par JG (site web ici)
    • Journée de l’Action Spécifique SKA-LOFAR lors des journées de la SF2A à Toulouse de 5 juin 2015. SC + MJ présents. Présentations par MJ (préparation par JG) (site web ici)

    Contributions à des écoles d’été:

    • INFIERI à l’IN2P3 – Paris – 14 au 25 juillet 2014 – Cours de JG le 23 Juillet (1h30), Radio Aperture synthesis as a practical example of sparse signal reconstruction – travaux pratiques numériques par François Lanusse (CosmoStat/AIM) (site web ici)
    • Large Ground-based 21st Century Radio Instrument: ALMA/NOEMA / SKA/LOFAR – CIEP Sèvres – 16 au 20 novembre 2015 (à venir ici)

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