Les projets doctoraux cofinancés par l’École SPECTRUM et ses partenaires

Laurine Andres – Laboratoire Géoazur (Géosciences)

Le projet LIDO propose de révolutionner la surveillance des cétacés dans le sanctuaire Pelagos en Méditerranée, en s’appuyant sur une technologie innovante : la detection acoustique distribuée (DAS). Alors que les méthodes traditionnelles de surveillance peinent à fournir une couverture spatiale et temporelle nécessaire, le projet LIDO propose de mettre en place une écoute continue et haute résolution des mammifères marins.

Ecouter les cétacés grâce à un câble de télécommunication sous-marin

Pour y parvenir, un ancien câble de télécommunication sous-marin long de 160km entre Monaco et Savone est transformé en réseau de capteurs acoustiques virtuels denses (Sladen et al., 2019). Déjà éprouvée, la technologie DAS appliquée à ce câble a détecté les vocalisations des rorquals communs et le trafic maritime en ​​temps réel avec une précision sans précédent (l'équivalent de 8 000 capteurs virtuels espacés tous les 20 m).

Le projet LIDO prévoit également d’étudier l’écologie comportementale et les vulnérabilités potentielles des cétacés (Paoletti et al., 2023). Pour comprendre comment ces mammifères marins réagissent aux facteurs environnementaux (trafic maritime, changements de température, événements sismiques), l’infrastructure sera couplée à des données environnementales pour révéler où les cétacés sont présents ainsi que les facteurs qui influencent leur répartition et leur abondance.
Ce travail doctoral sera porté par Laurine Andrès, ingénieure diplômée de Ecole Nationale de Géologie de Nancy (ENSG) en 2024, spécialisée en Géologie numérique et théorie de la propagation des ondes. Laurine est déjà investie dans le laboratoire Géoazur depuis plus de 6 mois. Elle sera encadrée par Anthony Sladen, chercheur CNRS en géophysique, et actuellement responsable du projet ANR « SEAFOOD » visant à développer une instrumentation des fonds marins dense, basée sur des câbles à fibres optiques.

Un consortium interdisciplinaire d’experts mobilisés

Pour mener ce projet, un consortium interdisciplinaire d’experts sera également mobilisé :
- Paul Cristini du LMA (Laboratoire de Mécanique Acoustique, Marseille) qui apportera son expertise pour la génération de modélisations complexes de la propagation des ondes en 2D/3D.
- Le professeur Cédric Richard du Laboratoire Lagrange (Université Côte d'Azur), expert en traitement statistique du signal et en apprentissage automatique.
– Léa Bouffaut (Université Cornell), experte en bioacoustique, notamment en interprétation des signaux des mammifères marins.
- Le professeur Martin Landrø (Université norvégienne des sciences et technologies - NTNU), expert en géophysique marine.
Et le soutien de deux partenaires clés :
- Simone Panigada, directrice de l'Institut de recherche Téthys. Ils fourniront des données provenant de cétacés équipés de balises GPS, facilitant ainsi la validation et l'étalonnage des méthodes de surveillance.
- L'ONG ACCOBAMS, basée à Monaco cette organisation intergouvernementale se consacre à la conservation des cétacés en Méditerranée et dans les mers adjacentes.

Augustin Puel – Laboratoire J-A Dieudonné (Mathématiques et Interactions)

Le projet SIPS-fBm explore un champ de recherche émergent à l’intersection des mathématiques appliquées, de la modélisation stochastique et des sciences computationnelles.Plus précisément, il vise à développer un cadre statistique novateur pour des particules en interactions (SPI), pilotées par des équations différentielles stochastiques (EDS) permettant de modéliser des trajectoires aléatoires (ex : cours de bourse). Pour ces trajectoires, le bruit aléatoire (ou fluctuations des données) est remplacé par un mouvement brownien fractionnaire (fBm).

Un modèle pour les systèmes à mémoire

Contrairement au mouvement brownien classique, le fBm permet d’introduire des effets de mémoire dans les systèmes modélisés, en capturant des dépendances temporelles de long terme.

Objectif de la thèse

Pour ce projet, le principal défi réside dans la nouveauté du sujet : poser les fondements de l'inférence statistique pour les systèmes de particules en interaction pilotés par le mouvement brownien fractionnaire. Il s’agira aussi de développer des outils computationnels pour simuler et estimer ces modèles puis explorer des applications concrètes.

Une collaboration européenne

La thèse portée par Augustin Puel sera encadrée par Radomyra Shevchenko (Centrale Méditerranée) et réalisée en collaboration avec Chiara Amorino de l’Université Pompeu Fabra de Barcelone. Ensemble, ils analyseront les équations différentielles stochastiques (EDS), développeront leur approximation via les systèmes de particules (SPI) et proposeront des approches statistiques et développement numériques adaptés.
Au-delà des avancées théoriques, les modèles développés dans cette thèse pourraient à terme être des candidats naturels pour décrire des systèmes complexes avec mémoire, en particulier dans des développements industriels ou technologiques innovants telle que la dynamique des fluides.

Aglind Reka – Laboratoire GEOAZUR (Géosciences)

Lorsqu'une catastrophe naturelle ou humaine survient, il est crucial pour les services de secours de localiser rapidement les personnes blessées ou en danger. Le projet AI_SAVING propose de développer un système embarqué d’IA sur des drones, capable d’identifier et de décrire automatiquement en temps réel les corps et les comportements de personnes vulnérables dans des zones sinistrées.

Les survols d’une zone sinistrée par drone sont précieux. Ils fournissent des images et des vidéos des lieux et des personnes touchées par la catastrophe. Pour analysées en temps réel ces données, un nouveau pipeline d'IA sera développé en 2 temps permettant d’identifier et de localiser automatiquement les personnes les plus touchées ou vulnérables, nécessitant des secours prioritaires.

Etapes de la conception du pipeline d'IA

Dans un premier temps, un modèle léger de reconnaissance d'actions sera utilisé et entrainé pour reconnaître les corps humains dans les données images/vidéos. Pour y parvenir, il s’agira de comprendre les actions révélées par l'attitude du squelette par une technique de simplification appelée, squelettisation. Cette technique identifie les points clés du corps humain, tels que la tête, les épaules et les relie par des lignes, créant ainsi le squelette de la personne. Elle permet de réduire les images complexes, haute résolution et lourdes en lignes 2D légères ou en nuages ​​de points 3D. Ce modèle léger sera par la suite installé dans le drone.

Dans un deuxième temps, un modèle plus approfondi ou modèle de base appelé « T-MOR » sera construit en cas de détection suspecte. T-MOR reconnaîtra non seulement les corps humains dans les données image/vidéo, mais identifiera également les attitudes corporelles témoignant d'une situation vulnérable. Pour entraîner le modèle « T-MOR », un nouveau grand ensemble de données appelé Skeletics sera créée. Il inclura des données squelettées (corps humains squelettisés), des images RVB (images optiques représentant des humains) et des textes (descriptions textuelles) de personnes observées lors d'une catastrophe, collectés à partir de sources publiques.

Un système d’IA embarqué sur drone

En situation réelle, le pipeline fonctionnera ainsi à bord du drone. Le modèle léger analysera rapidement les images et vidéos acquises et détectera les situations potentielles de détresse humaine. Si le modèle identifie une personne en danger ou demandant de l'aide, le système embarqué enverra l'intégralité des données vidéos/images correspondantes au cloud, où le modèle T-MOR effectuera une analyse plus approfondie. Cette analyse vérifiera si la situation nécessite réellement une assistance. Si le système confirme, une alerte sera envoyée aux secours, pour qu’ils puissent évaluer la situation et décider du type d'aide à envoyer et de la manière d'intervenir.

Ce travail de recherche doctorale est mené par M. Aglind Reka, diplômé major de sa promotion d’un Master en Sciences de la Donnée et Intelligence Artificielle à Université Côte d’Azur en Septembre 2024 sous la direction de François Bremond.

Un projet intégré dans une stratégie nationale

Le projet AI_SAVING s'inscrit dans le vaste projet intitulé Intelligent_Mapping, lui-même intégré au projet PEPR IRIMA, financé en 2022 par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre du PIA4 France 2030. L'objectif principal d'Intelligent_Mapping est de développer des algorithmes d'intelligence artificielle (IA) pour automatiser, à partir d'images aériennes et satellitaires de la Terre, l'identification, la cartographie, la spatialisation et la mesure des aléas et risques naturels et socio-environnementaux étudiés dans IRIMA (séismes, tsunamis, éruptions volcaniques, glissements de terrain, inondations, feux de forêt, etc.).

Thomas DYER - Laboratoire Lagrange (Astrophysique)

Ce projet de recherche s'inscrit dans les grandes priorités spatiales françaises et européennes en matière de défense planétaire. Il vise à répondre à des questions fondamentales sur la nature des petits corps du système solaire, en lien avec deux missions spatiales. La mission Martian Moons eXploration (MMX) de la JAXA, qui prévoit de rapporter des échantillons des lunes de Mars et la mission NEOMIR de l’ESA, visant à détecter les astéroïdes dangereux se dirigeant vers la Terre.

L’évènement de Tcheliabinsk de 2013, où un astéroïde d'environ 20 mètres est entré dans l'atmosphère terrestre sans être détecté car arrivé du côté du ciel exposé au Soleil, a révélé une vulnérabilité majeure. Il a mis en évidence notre lacune à surveiller l’espace proche dans toutes les directions.

Pour identifier les astéroïdes, même à des angles de phase élevés, NEOMIR, une mission infrarouge proposée par l'ESA, vise à combler cette déficience. Il s’agit de positionner le télescope spatial NEOMIR au point de Lagrange L1 du système Terre-Soleil, afin d’être en capacité de détecter des astéroïdes s'approchant de la Terre (appelés impacteurs potentiels imminents) depuis la direction du Soleil, un angle mort d'observation pour les systèmes terrestres.

Un enjeu de défense planétaire

Ce projet de doctorat propose une double approche : analyser les données spectroscopiques et thermiques infrarouges des lunes de Mars - Phobos et Deimos - à l’aide de deux instruments embarqués sur la mission Martian Moons eXploration (MMX). Il s’agit des instruments MIRS et miniRAD qui contribueront à déterminer la composition de la surface de ces lunes, leurs propriétés thermiques et la structure du régolithe L’objectif ? Trancher sur la question de l’origine des lunes : fragments martiens ou fragments d’astéroïdes ?

En parallèle, des modèles thermophysiques de nouvelle génération seront développés pour simuler et interpréter les flux infrarouges thermiques des astéroïdes impactant la Terre, en particulier dans les géométries extrêmes, comme celles qui seront couvertes par NEOMIR. Ces modèles permettront de mieux caractériser leur taille, composition et trajectoire d’impacteurs potentiels imminents.

Pour mener ce travail doctoral, Thomas Dyer, sera encadré par Marco Delbo, spécialiste reconnu en modélisation et observation des astéroïdes dans l’infrarouge thermique. Le doctorant travaillera en étroite collaboration avec Thales Alenia Space (Cannes, France), impliqué dans la conception des instruments et l’évaluation de leurs performances.

Un projet stratégique pour la France et l’Europe

Ce projet à l’interface de l'astronomie, la géologie planétaire et l'ingénierie spatiale s’inscrit dans la dynamique d’adhésion récente de la France au programme optionnel « Planetary Defense » de l’ESA. Il contribuera à accompagner deux missions spatiales majeures visant un objectif commun : extraire des informations physiques et compositionnelles fiables à partir des données spatiales infrarouges, pour élucider l’histoire des lunes de Mars et à améliorer notre réponse aux menaces astéroïdes.

Karen Trevia-Gonzales - Institut de Physique de Nice

Un enjeu pour la santé

Perspectives : prototypage et valorisation

Manar Reriouedj – Institut de Physique de Nice

Ce projet de recherche ambitionne d’explorer une nouvelle voie de recherche pour l’IA en s’appuyant sur la photonique. Il vise à développer une plateforme expérimentale basée sur des réseaux de nanolasers à semi-conducteurs capables de reproduire des comportements inspirés du cerveau humain.

En combinant modélisation théorique, expérimentation avancée et microfabrication, le projet vise à créer des circuits optiques capables de simuler certains aspects du fonctionnement du cerveau humain. Ces systèmes pourraient jouer un rôle clé dans le développement d’une intelligence artificielle photonique, plus rapide et plus économe en énergie que les technologies actuelles.

Pour ce travail doctoral, Manar Reriouedi sera encadré par Pr. Fabrice Raineri, spécialiste en optique non linéaire et en nanotechnologies et Guilhem Madiot, spécialiste en nanophotonique, lasers semi-conducteur et dynamiques non linéaire.

Manar sera formé à la photonique expérimentale, à l'optique non linéaire et aux méthodes de simulation, acquérant ainsi une expertise en techniques de nanofabrication. Il sera ainsi en mesure de travailler sur la théorie, les tests expérimentaux et la fabrication de ces réseaux tout en collaborant avec des partenaires industriels tels que Thales Recherche et Technologie et la startup NcodiN qui exploreront des applications pratiques en calcul photonique neuromorphique.

Ce projet de doctorat présente un potentiel important de développements industriels innovants et devrait déboucher sur des publications à fort impact et de futures demandes de bourses européenne de type ERC. Par ailleurs, ce projet devrait donner lieu à des publications dans des revues scientifiques internationales à comité de lecture (Nature, Physical Review, ACS Photonics, Nano Letters, etc.).

Thomas Oudeville – Laboratoire J-A Dieudonné (Mathématiques et Interactions)

Maïder Bloch – Laboratoire GEOAZUR

Projet : TSUNAMORGOS : Bilan du tsunami sismique et gravitationnel aléa dans les Cyclades : apport de nouvelles connaissances géologiques et géophysiques contraintes physiques sur le tsunami d'Amorgos – cofinancé par le Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives (CEA)

Le 9 juillet 1956, un séisme de magnitude 7,7 frappe l’île d’Amorgos dans les Cyclades, suivi d’un tsunami avec des vagues atteignant jusqu'à 30 mètres de hauteur. Ce tsunami, comme de nombreux autres, est encore mal compris aujourd’hui, notamment parce que de nombreux tsunamis historiques et modernes, dont celui d'Amorgos, sont encore mal compris. Ce projet vise donc à comprendre les événements du 9 juillet 1956 afin de mieux définir les risques sismiques et de tsunamis en Méditerranée. La probabilité que des tsunamis causés par des tremblements de terre inondent à nouveau les côtes méditerranéennes restant élevée.

La rareté des sismomètres à l'époque empêche une bonne caractérisation des séismes historiques (profondeur, magnitude, longueur de rupture, etc.), limitant notre compréhension des sources de tsunamis et notre capacité à prédire de futurs tremblements de terre importants. Cependant, de nouvelles données marines acquises en 2022 et 2023 révèlent des preuves géologiques pouvant mieux contraindre le tsunami d'Amorgos et la géométrie de la rupture sismique.

Dans ce cadre, un contrat de thèse de 3 ans a été alloué à Maïder Bloch. Le premier objectif est d'utiliser ces nouvelles observations géologiques et les données sismologiques historiques, via la modélisation du tsunami, pour comprendre ce qui s'est passé le 9 juillet 1956. Cela permettra de mieux caractériser les risques sismiques et tsunamis en Méditerranée. Le deuxième objectif est de calculer des cartes d'inondation le long des côtes les plus peuplées de la mer Égée, comme Santorin, afin de contribuer aux évaluations des risques de l'archipel.

Avec les données disponibles à Géoazur, les méthodes développées au CEA, et des collaborations impliquant un panel interdisciplinaire d'experts internationaux, ce projet de doctorat, intégré à l'ANR AMORGOS, a le potentiel de combler des lacunes dans l'évaluation des risques sismiques et tsunamis induits par les failles sous-marines en milieu vulnérable.

Pour ce sujet de thèse, Maïder Bloch travaillera avec trois encadrants : Frédérique Leclerc, tectonicienne au laboratoire Géoazur, Audrey Gailler, experte en modélisation des tsunamis au CEA, et Françoise Courboulex, sismologue au laboratoire Géoazur. Des scientifiques grecs et internationaux, dont Marinos Charalampakis (Observatoire national d'Athènes, NOA) et Emile Okal (Northwestern University, USA), contribueront également à ce projet en fournissant des analyses et des données cruciales.

Alex Guinard – Laboratoire GEOAZUR

Projet : Mantle anomaly detection for Moon and Mars using tidal de formation and the Earth geophysics software CITCOM / CITCOM-Moon – cofinancé par le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES)

La Lune continue de susciter des interrogations, notamment avec ce projet de thèse visant à développer de nouveaux outils pour réaliser une tomographie 3D de son intérieur. Peu après sa formation, il y a environ 4,22 milliards d’années, le manteau lunaire aurait subi un renversement complet. Les roches denses en fusion à la surface se seraient écoulées vers l’intérieur, puis seraient remontées sous forme de lave. Ce phénomène pourrait expliquer l’asymétrie de sa structure géochimique et les anomalies gravitationnelles associées. En utilisant des méthodes numérique de résolution par éléments finis, ce projet doctoral vise à modéliser l’initiation et la stabilité des cumulats basaux denses pour examiner l’histoire des anomalies de densité dans le manteau lunaire.

Après son accrétion, le manteau lunaire, soit la couche intermédiaire entre le noyau et la croûte de la Lune au cours de son évolution, était totalement fondu. Lors du refroidissement, une cristallisation fractionnée s’est produite, formant un cumulat riche en ilménite (oxyde de fer et de titane), clinopyroxène (composants courants des roches magmatiques et métamorphiques) et KREEP (Terres rares). Ces cumulats denses, initialement sous-jacents à des cumulats plus légers, pourraient avoir subi un « renversement du manteau » spontané, formant une couche dense à la base du manteau lunaire. D’autres modèles suggèrent un déclenchement externe, tel que l’impact géant du pôle Sud-Aitken, qui aurait induit des instabilités thermochimiques.

Dans une étude récente publiée dans Nature (Briaud et al. 2023), l’équipe-projet a combiné la modélisation des marées, des contraintes thermodynamiques et géophysiques pour déduire l’existence d’un noyau interne solide et d’une couche dense au bas du manteau lunaire, compatible avec les cumulats riches en ilménite issus du renversement du manteau. Ces résultats ont été obtenus grâce aux déformations de la Lune induites par les marées terrestres.

Des questions subsistent : un profil 1D (coquille d’oignon) est-il réaliste pour le manteau lunaire ? Quelle est la distribution 3D des anomalies en termes de viscosité, de rigidité et de densité ? Ces anomalies sont-elles liées au scénario de renversement du manteau ? Pour y répondre, de nouveaux outils seront donc développer pour cartographier en 3D l’intérieur de la Lune et examiner l’histoire des anomalies de densité dans son manteau. L’étude sera ensuite étendue à Mars et Mercure pour préciser les règles d’évolution précoce des corps planétaires similaires à la Terre.

Ce travail doctoral, sélectionné par le programme doctoral du CNES, sera mené par Alex Guinard, ancien étudiant du parcours 3G d’Université Côte d’Azur et impliquera des spécialistes en pétrochimie, géodésie, géophysique et géodynamique. Dans un premier temps, une version améliorée de CitcomSVE, un logiciel d'éléments finis tridimensionnel, sera utilisée pour modéliser la déformation viscoélastique du manteau planétaire en réponse aux charges de surface et de marée, afin d'explorer l’influence des anomalies du manteau. Les résultats obtenus seront ensuite confrontés aux observations géodésiques (GRAIL, LRO). Le modèle mathématique du Random Walk sera utilisé pour explorer et caractériser de manière aléatoire les anomalies potentielles (position, taille, contrastes de viscosité et de rigidité) afin de valider les modèles en reproduisant les déformations observées.

Alex Guinard sera dirigé par le professeur A. Mémin, géophysicien et membre du conseil scientifique du Groupe de Recherche de Géodesie Spatiale depuis 2017, ainsi que par A. Fienga, experte en éphémérides et géophysique planétaire, tous deux au laboratoire GEOAZUR. D'autres collaborations avec le laboratoire GEOAZUR sont prévues, notamment avec le professeur N. Coltice pour les aspects géodynamiques et C. Ganino, expert en modélisation numérique de la pétrologie à haute température, dans le domaine de l'évolution du système solaire précoce et des sciences planétaires.

Les résultats attendus devraient améliorer notre compréhension des processus primordiaux des planètes telluriques, influençant les scénarios d’accrétion, l’évolution précoce du noyau et de la lithosphère, et le développement du champ magnétique planétaire.

Nathan Lecaron – Institut de Physique de Nice

Projet : Dispositifs et solutions innovantes pour les réseaux de communications quantiques (QCOMTESTBED)  – cofinancé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS)

Ce projet doctoral se concentre sur le développement d'une source de lumière monophotonique utilisant le nitrure de gallium (GaN), un semi-conducteur largement utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs optoélectroniques. Composé de gallium (Ga) et d'azote (N), le GaN possède plusieurs propriétés intéressantes pour les applications photoniques : une large bande interdite, une haute mobilité électronique, une stabilité thermique et une résistance chimique. Par exemple, ce semi-conducteur sera utilisé dans les prochains radars de l’avion de combat français.

La source de lumière sera conçue pour fonctionner à température ambiante et émettre à une longueur d'onde de 1,3 μm, ce qui est idéal pour la distribution de clés quantiques via une fibre optique de 50 km. En émettant des photons uniques à cette longueur d'onde, la nouvelle source augmentera considérablement l'efficacité du système de distribution de clés quantiques. Cela permettra des communications quantiques plus rapides, fiables et sécurisées, répondant ainsi aux besoins croissants en matière de sécurité des données dans notre monde numérique de plus en plus interconnecté.

Car actuellement, les sources laser utilisées pour des applications similaires sont limitées en efficacité : seulement 1 % des impulsions lumineuses contiennent un photon. Cette restriction ralentit la distribution des qubits et limite les possibilités de développer des protocoles plus avancés. Le développement de sources de photons uniques à la longueur d'onde des télécommunications est donc crucial pour offrir des solutions de communication quantique véritablement sécurisées.

Nathan Lecaron, le doctorant de ce projet est déjà impliqué dans ce travail de recherche. Lors de son stage de Master 2 au CRHEA au sein du cursus « Ondes, Atomes et Matière » il a mis en place un banc de test basé sur la photoluminescence avec fibre. Cet outil sera indispensable pour évaluer les performances quantiques des dispositifs développés. Plus précisément, ce banc de test permettra de vérifier si un seul photon est émis à la fois (monophonie). De plus, il aidera à optimiser les paramètres de fabrication et à comprendre les mécanismes fondamentaux qui influencent l'efficacité et la stabilité de la source lumineuse. À ce jour, un niveau de performance de pointe a été atteint en termes de luminosité pour ce type d'émetteur, et l'implémentation d'un système de codage qubit efficace a débuté.

Pendant cette thèse, plusieurs nouveaux défis seront à relever, notamment le déploiement sur le premier réseau quantique expérimental en France, le réseau Quantum@UCA développé par Université Côte d’Azur en partenariat avec Orange. Cela nécessitera d'optimiser les performances de la source monophotonique en développant des structures de couplage photonique en collaboration avec le CRHEA. Il s'agira également de développer des solutions de synchronisation temporelle pour les différents nœuds du réseau quantique, en collaboration avec les équipes de GEOAZUR. Enfin, il faudra assurer la co-propagation des signaux quantiques avec d'autres systèmes basés sur l'intrication déjà déployés.

Amélie Lam - Laboratoire Lagrange

Projet :  Data Driven Approach for protoplanetary Disks turbulence – cofinancé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS)

Bien qu’il soit généralement admis que les planètes se forment dans des disques protoplanétaires constitués de poussières et de gaz autour de jeunes étoiles, de nombreuses questions restent en suspens. Notamment, comment les particules de poussière se rassemblent-elles pour créer des corps solides ? Pour résoudre cette question, une très haute résolution spatiale est essentielle, nécessitant une puissance de calcul considérable qui peut être optimisée grâce à l’utilisation de l’IA, notamment pour les modélisations réalisées à petites échelles.

Pour capturer les multiples échelles impliquées dans la formation des planétésimaux, ces petits corps solides qui croissent par accrétion pour devenir des planètes, des simulations numériques intensives sont requises. Ces simulations permettent de comprendre l’évolution des solides, de tailles submicrométriques à planétaires, dans un disque de gaz rotatif képlérien. Elles permettent aussi d’analyser la dynamique du gaz à petite échelle un aspect crucial car la durée de vie des disques dépend des mécanismes de transport influençant la dynamique à petite et à grande échelle.

Actuellement, deux approches principales et gourmandes en termes de ressources computationnelles sont employées pour étudier cette dynamique multi-échelle : les simulations numériques à grande échelle et la modélisation paramétrique des petites échelles.
Pour diminuer le coût computationnel, ce projet doctoral sera mené par Amélie Lam. Plus précisément, son travail de thèse prévoit de s’appuyer sur des outils d'intelligence artificielle pour modéliser les petites échelles. Des approches récentes basées sur l'apprentissage machine ont déjà montré des résultats prometteurs, comme l'utilisation de réseaux neuronaux convolutifs pour prédire les propriétés à petite échelle dans les disques protoplanétaires (Chan et al., 2024) ou d'algorithmes d'apprentissage symbolique pour modéliser les sous-mailles de turbulence (Li et al., 2021 ; Sandberg et Zhao, 2022).

À l'issue de ces travaux, une méthode accélérée par intelligence artificielle devrait être développée pour simuler la dynamique des fluides à petite échelle, adaptée aux besoins scientifiques spécifiques. Pour mener ce projet à la croisée de l'astrophysique, du traitement du signal, de la dynamique des fluides et de la simulation numérique haute performance, Amélie Lam sera co-encadrée. Héloïse Meheut, chercheuse CNRS en astrophysique, et André Ferrari, professeur à Université Côte d’Azur spécialisé dans le traitement des données statistiques et les problèmes inverses, tous deux affiliés au Laboratoire J.-L. Lagrange, co-encadreront la doctorante.

Gabriel Tomasini - Laboratoire Lagrange

Projet : Late stages of stellar evolution in binary systems - cofinancé par l'ANR PEPPER

La destruction des étoiles est un phénomène encore mal compris. Pourtant, comprendre les mécanismes physiques qui gouvernent les derniers stades d’évolution des étoiles massives est essentiel pour saisir l’enrichissement chimique de la Galaxie. Lors des derniers stades de l’évolution stellaire, les étoiles perdent de la masse et éjectent d'énormes quantités de gaz et de poussières dans le milieu interstellaire. Cette matière s’enrichit en atomes formés au cœur de l’étoile grâce aux réactions nucléaires. Cependant, les modèles actuels peinent à reproduire ces phénomènes avec précision, utilisant souvent des lois ad hoc.

Des avancées récentes, comme le projet ANR PEPPER (dirigé par Andrea Chiavassa avec la participation d'Eric Lagadec) et le projet EXWINGS ERC (PI Hoefner, Uppsala, Suède), ont amélioré notre compréhension, notamment via des observations à haute résolution angulaire et des modélisations 3D de la convection stellaire. Ces recherches ont montré que les chocs provoquent la formation de poussières et que la pression de radiation déclenche la perte de masse. Cependant, l'impact de la binarité reste un point en suspens.

Une large majorité des étoiles massives passent au moins une partie de leur vie en couple (système binaire) et peuvent, selon les conditions, s'échanger de la matière au cours de diverses phases de leur évolution, et notamment lors leur fin de vie. Les interactions entre les étoiles (ou les compagnons) jouent donc un rôle crucial en sculptant les vents stellaires et parfois en provoquant des transferts de matière. Ces interactions affectent la quantité et la composition de la matière rejetée, influençant ainsi l’enrichissement chimique du milieu interstellaire. Ainsi, selon le moment et la manière dont la matière est expulsée, l’enrichissement chimique du milieu interstellaire sera différent.

Pour tracer l’histoire de la perte de masse d’étoiles évoluées dans des systèmes binaires, le doctorant Gabriel Tomasini, utilisera des techniques d’imagerie à haute résolution angulaire, combinées à des simulations hydrodynamiques 3D. Un modèle de transfert radiatif sera employé pour analyser la distribution, la densité et la composition des gaz et des poussières pour explorer comment les interactions stellaires affectent la perte de masse.

Pour son travail, il s’appuiera sur les meilleures observations et modèles disponibles. Cela inclut les observations ALMA, qui cartographieront la dynamique du gaz, ainsi que des observations garanties par SPHERE/VLT. De plus, de nombreuses observations multi-longueurs d'onde (polarisation visible et infrarouge) obtenues par l'instrument SPHERE/VLT sont disponibles et seront réduites et analysées par ses soins.

Pour son projet de recherche doctoral, Gabriel Tomasini travaillera avec Andrea Chiavassa du Laboratoire Lagrange, expert en ambiances 3D des étoiles évoluées, et Ileyk El Mellah de l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique (IPAG), spécialiste en hydrodynamique 3D. Pour soutenir ces recherches visant à intégrer l'impact de la binarité sur la perte de masse des étoiles évoluées, des fonds de Graduate School Spectrum et du projet ANR PEPPER seront mobilisés pour permettre le financement du contrat doctoral de Gabriel Tomasini.

Corentin Morin - CRHEA

Projet : Quantum simulation of lattice Supersolids with spatially Indirect eXcitons (QuaSIX) – financé via le projet QuanteDuFrance porté par l’Institut Quantazur

Ce projet de recherche se concentre sur les simulations quantiques des Hamiltoniens de Bose-Hubbard, un modèle fondamental en physique de la matière condensée. Ce modèle décrit le comportement des bosons, des particules quantiques, dans un réseau périodique (ionique lumineux…), en tenant compte des interactions fortes entre ces particules. Il est utilisé pour explorer divers phénomènes complexes dans les systèmes de matière condensée et les gaz quantiques. L’objectif ici est de démontrer comment la supersolidité peut être exploitée pour simuler efficacement le modèle de Bose-Hubbard afin d’approfondir la compréhension des phénomènes quantiques fondamentaux, mais aussi ouvrir la voie à des applications pratiques dans des réseaux atomiques.


Le modèle de Bose-Hubbard est réputé pour sa difficulté, voire son impossibilité à être simulé de manière exacte. Cette complexité découle des interactions complexes et fortes entre bosons, difficiles à capturer, des états exotiques de la matière qu'il peut décrire (supersolides…), des défis liés à la discrétisation du réseau, et des limitations des méthodes de calcul disponible. Pour surmonter cette difficulté, le présent projet rassemble en sus de l’expertise du CHREA d’autres laboratoires en France et à l’international : le LPMMC à Grenoble, l’ISIS à Strabourg et le MEBL à Princeton University aux Etats-Unis pour répondre à la fois aux aspects expérimentaux et théoriques.

L’idée consiste à explorer de nouvelles propriétés physiques et de comprendre les comportements quantiques à l'échelle macroscopique. Pour y parvenir, le projet se concentrera sur la conception de solides quantiques bidimensionnels en utilisant des bosons dipolaires fortement corrélés dans des potentiels de réseau. Un exemple particulier de phase de l'hamiltonien BH étendu est la supersolidité, une phase complexe de la matière capable de présenter des comportements à la fois superfluide et solide et prometteuse pour tester et simuler le modèle de Bose-Hubbard.