Etude des corrélations inter-fréquences de l'émission thermique des poussières interstellaires // Study of correlations across frequencies in dust thermal emission

Les poussières interstellaires sont présentes partout dans notre Galaxie. Depuis les années 1980, les propriétés de l'émission thermique de ces poussières ont été caractérisées dans l'infra-rouge lointain (FIR) et le submillimétrique (submm) par de nombreuses missions spatiales (IRAS, COBE-DIRBE, Spitzer, Herschel, Planck). En raison de l'alignement de l'axe de rotation des poussières le long des lignes de champ magnétique Galactique, cette émission thermique est polarisée. Emettant aux mêmes fréquences que le fond diffus cosmologique (CMB), elle complique la recherche de la signature de l'inflation primordiale dans la polarisation du CMB.

La thèse se situe à l'interface de la cosmologie et de la physique du milieu interstellaire (MIS). Elle vise à caractériser les fluctuations des propriétés des poussières dans la Galaxie - leur origine et leur amplitude - afin d'aider à la séparation des composantes pour la recherche du signal de l'inflation dans la polarisation du CMB.
Il s'agira d'appliquer aux données FIR et submm d'émission thermique des poussières une nouvelle méthodologie d'analyse de ses fluctuations (Guillet et al, 2026, A&A, 705, A177, https://arxiv.org/abs/2510.18305), afin de proposer de nouveaux modèles d'émission polarisée des poussières, plus proches des données et physiquement motivés. L'analyse portera principalement sur le ciel à haute latitude Galactique (ciel-clef pour la cosmologie), mais tirera également profit de l'étude de régions bien connues du MIS où l'utilisation de données complémentaires permettra de mieux contraindre l'origine physique des fluctuations des propriétés des poussières.

Dans un premier temps, l'étudiant-e appliquera cette méthode sur des données en intensité totale (non polarisée).
En 1ère année, il/elle comparera les résultats obtenus avec des données réelles à ceux obtenus avec des données synthétiques basées sur les données réelles (Commander, GNILC, Cosmoglobe). Une estimation critique des atouts et des limites de ces différentes cartes d'émission de poussières en sera tirée. Un modèle phénoménologique d'émission thermique des poussières (combinaison de plusieurs corps noirs modifiées) sera ensuite utilisé pour fitter ces données dans un cadre Bayesien ou fréquentiste, afin de proposer le modèle le plus simple reproduisant les covariances de la distribution spectrale d'énergie (SED) des poussières observées à haute latitude Galactique. Des simulations Monte-Carlo seront développées pour estimer les incertitudes sur les résultats produits.
En 2ème année, ces données seront confrontées aux prédictions de différents modèles de poussières : modèle phénoménologique (Schlegel, Finkbeiner & Davis 1998), modèles physiques statiques : Astrodust (Hensley & Draine 2022), Dark Dust (Siebenmorgen+2026), modèle physique intégrant l'évolution des propriétés poussières (THEMIS II Ysard+2024). Outre le test direct de ces modèles de référence, ces résultats apporteront de nouvelles contraintes observationnelles aux modèles de poussières, ingrédients essentiels de notre compréhension de la physique du MIS.

Enfin (3ème année), les modèles validés seront utilisés pour prédire les fluctuations de la SED polarisée des poussières, moyennant un modèle de distribution du gaz et du champ magnétique dans la Galaxie. Ces prédictions seront confrontées aux données en polarisation ancillaires et à venir, et des conclusions tirées sur les propriétés d'alignement des différentes populations de poussières, sur l'origine et amplitude de la «décorrélation» de l'émission polarisée des poussières (Tassis & Pavlidou 2015), et sur les propriétés statistiques du champ magnétique Galactique.

La thèse est basée à Montpellier (direction: Vincent Guillet, LUPM). Elle donnera lieu à de fréquents déplacements à Orsay (co-direction: Léo Vacher, IJCLab) de manière à acquérir une double culture à l'interface de la physique du MIS et des techniques de séparation des composantes pour la cosmologie.
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Interstellar dust is present throughout our Galaxy. Since the 1980s, the properties of dust thermal emission have been characterized in the far-infrared (FIR) and submillimeter (submm) wavelength ranges by numerous space missions (IRAS, COBE-DIRBE, Spitzer, Herschel, Planck). Due to the alignment of the dust grains' rotation axis with the Galactic magnetic field lines, this thermal emission is polarized. Emitting at the same frequencies as the cosmic microwave background (CMB), it complicates the search for the signature of primordial inflation in the polarization of the CMB.

This PhD project lies at the interface between cosmology and interstellar medium (ISM) physics. Its goal is to characterize fluctuations in dust properties within the Galaxy—their origin and amplitude—in order to aid component separation for the detection of the inflationary signal in CMB polarization. The work will involve applying a new methodology for analyzing these fluctuations (Guillet et al., 2026, A&A, 705, A177, https://arxiv.org/abs/2510.18305) to FIR and submm data of dust thermal emission, in order to propose new models of polarized dust emission that are both physically motivated and more consistent with observations. The analysis will focus primarily on the high Galactic latitude sky (a key region for cosmology), while also benefiting from studies of well-characterized ISM regions where complementary datasets will help better constrain the physical origin of dust property fluctuations.

In a first phase, the student will apply this method to total (unpolarized) intensity data.
During the first year, he/she will compare results obtained from real data with those derived from synthetic datasets based on real observations (Commander, GNILC, Cosmoglobe). A critical assessment of the strengths and limitations of these different dust emission maps will be carried out. A phenomenological model of dust thermal emission (a combination of modified blackbodies) will then be used to fit these data within a Bayesian or frequentist framework, with the aim of proposing the simplest model capable of reproducing the covariances of the spectral energy distribution (SED) of dust observed at high Galactic latitude. Monte Carlo simulations will be developed to estimate uncertainties in the results.

In the second year, these results will be compared with predictions from various dust models: a phenomenological model (Schlegel, Finkbeiner & Davis 1998), static physical models such as Astrodust (Hensley & Draine 2022) and Dark Dust (Siebenmorgen et al. 2026), and a physical model incorporating dust evolution (THEMIS II, Ysard et al. 2024). Beyond direct testing of these reference models, the results will provide new observational constraints on dust models, which are key ingredients in our understanding of ISM physics.

Finally (third year), the validated models will be used to predict fluctuations in the polarized dust SED, based on a model of the gas distribution and Galactic magnetic fields. These predictions will be compared with ancillary polarization data (Planck, stellar polarization) as well as upcoming datasets. Conclusions will be drawn regarding the alignment properties of different dust populations, the origin and amplitude of the “decorrelation” (Tassis & Pavlidou 2015) of submm polarized dust signals, and the statistical properties of the Galactic magnetic field.

The PhD is based in Montpellier (supervisor: Vincent Guillet, LUPM). It will involve frequent visits to Orsay (co-supervisor: Léo Vacher, IJCLab) in order to develop a dual expertise at the intersection of ISM physics and component separation techniques for cosmology.
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Début de la thèse : 01/09/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

Master Astrophysique Connaissances sur la physique Galactique, idéalement sur le milieu interstellaire. Goût pour un travail équilibré entre analyse de données, modélisation, calculs analytiques, et théories de la physique du solide.
Master's degree in Astrophysics. Knowledge of Galactic physics, ideally focused on the interstellar medium. Interest in a balanced approach combining data analysis, modeling, analytical calculations, and solid-state physics theory.