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 seront primordiales afin d’utiliser pleinement les nouvelles capacités offertes par ces nouveaux télescopes radio. De même, il sera 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 sera nécessaire d’accomplir afin de bien cerner une nouvelle réalité physique.

     

    Image de la station LOFAR basse fréquence de Nançay en France

     

  • Stéphane Corbel (Professeur des Universités, AIM)

    Isabelle Grenier (Professeur des Universités, AIM)

    Jean-Luc Starck (Chercheur CEA, AIM) Page web

    Julien Girard (Post-doc, LabEx UnivEarthS, AIM) Page web (à venir)

    Ming Jiang (Doctorant, CEA, AIM) Page web

    Hugh Garsden (LEDA project, Harvard Observatory, ex post-doc LabEx UnivEarthS) Page web

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

  • Résultats passés

    Les efforts de l’équipe du projet Frontière ont porté sur la création d’un imageur « parcimonieux » destiné à l’imagerie par synthèse d’ouverture des données obtenus par les nouveaux interférométres géants comme LOFAR (et SKA). La reconstruction d’images à partir de données simulées et réelles ont permis de mettre en évidence la robustesse d’un tel imageur, ainsi que sa capacité à former des images super résolues spatialement (voir le fait marquant CEA ici). La page associé au développement du code est sur le site de CosmoStat (par ).

    Les travaux d’imagerie sont consignés dans une première publication dans A&A (Garsden et al., 2015).

    Travaux en cours

    L’étape suivante est l’extension de cet imageur à la dimension temporelle, afin de reconstruire de manière robuste, l’information des sources transitoires présentes dans les données interféromètriques qui sont difficiles à imager correctement avec les méthodes classiques.

    La troisième étape est la construction d’un imageur multicanal, permettant d’intégrer l’information fréquentielle des données, pour permettre non seulement de contraindre les flux dans l’image, mais également l’information spectral des sources (indices spectraux) par utilisation d’une technique de séparation de composantes.

    Les deux étapes constituent le travail actuel Ming Jiang (doctorant à AIM/CEA-Saclay) et de Julien Girard (Post-doctorant UnivEarthS).

    Ces outils génériques seront compatibles avec les interféromètres nouvelle génération (notamment LOFAR, mais aussi les autres pathfinders et précurseurs de SKA).

    Les précurseurs de SKA:

    LOFAR

    Coeur localisé aux Pays Bas avec des stations internationales en France, GB, Allemagne et Suède

    Opérationel

    small_lofar_core.jpg
    MeerKAT

    64 antennes de 13.5 m fonctionnant de 0.6 à 15 GHz

    Localisation: Afrique du Sud

    Fin de construction: 2016-18

    meerkat.jpg
    KAT-7

    7 télescope utilisés comme précurseur de MeerKAT. 0.9 à 1.6 GHz

    Localisation: Afrique du Sud

    Opérationel

    small_kat7_gen_90_m.jpg
    ASKAP

    36 antennes de 12-m localisées en Western Australia et fonctionnant vers 1.4 GHz. Grand champ de vue.

    Operationel vers 2016, avec un sous réseau d’antennes déjà disponibles

    ASKAP.jpg

  • Publications dans des journaux à comité de lecture:

    • Hassall et al. 2012, Astronomy & Astrophysics, 543, 66: Wide-band simultaneous observations of pulsars: disentangling dispersion measure and profile variations
    • Garsden, Girard, Starck, Corbel et al. 2015, Astronomy & Astrophysics, 575, A90: LOFAR Sparse Image Reconstruction, (link)
    • Girard, Jiang, Starck, Corbel et al. (in prep) Sparse aperture synthesis detection of radio transients

    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, (INFIERI 2014, 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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