Observation et modélisation des émissions d'annihilation des positrons galactiques // Observation and modeling of the galactic positron annihilation emissions
12 Feb 2025
Job Information
- Organisation/Company
Université de Toulouse- Research Field
Technology- Researcher Profile
Recognised Researcher (R2)
Leading Researcher (R4)
First Stage Researcher (R1)
Established Researcher (R3)- Country
France- Application Deadline
1 Jun 2025 - 22:00 (UTC)- Type of Contract
Temporary- Job Status
Full-time- Is the job funded through the EU Research Framework Programme?
Not funded by a EU programme- Is the Job related to staff position within a Research Infrastructure?
No
Offer Description
Depuis sa découverte dans les années 1970, une émission d'annihilation de positrons (l'antiparticule de l'électron) a été observée dans les régions centrales de notre Galaxie par différents télescopes à rayons gamma. L'origine de ces positrons reste un mystère ; les sources considérées à ce jour (isotopes radioactifs, jets d'objets compacts, rayons cosmiques, matière noire...) ne permettent pas d'expliquer complètement les propriétés de l'émission d'annihilation. Les dernières observations réalisées avec le spectromètre SPI à bord de l'observatoire spatial INTEGRAL au milieu des années 2010 montrent que l'émission provient principalement du bulbe galactique, avec une contribution diffuse du disque. Même si la morphologie de l'émission n'est pas encore bien contrainte, cette distribution spatiale, qui n'a pas d'équivalent à d'autres longueurs d'onde, ne ressemble à aucune distribution de source connue. Sur le plan spectral, l'émission d'annihilation est composée d'une raie à 511 keV, d'un continuum orthopositronium à une énergie photonique inférieure à 511 keV (dû à l'annihilation des états liés positron-électron) et d'un continuum à haute énergie (>511 keV) dû à l'annihilation en vol des positrons relativistes. Si les deux premières composantes ont été clairement observées, l'annihilation en vol n'a pas encore été détectée. Sa détection permettrait de connaître l'énergie maximale des positrons responsables de l'émission d'annihilation. La forme de la raie et la fraction de l'émission dans le continuum orthopositronium dépendent des conditions physiques (température, fraction d'ionisation, abondances) du milieu dans lequel les positrons s'annihilent.
L'objectif de ce doctorat est de préparer l'analyse scientifique des observations des émissions d'annihilation des positrons avec COSI (COmpton Spectrometer & Imager), le futur télescope à rayons gamma de la NASA, qui sera mis en orbite en août 2027. Cette préparation consiste d'une part à modéliser l'émission spatiale et spectrale des rayons gamma provenant de l'annihilation de positrons sur la base des connaissances actuelles des propriétés de la galaxie et de la physique de l'annihilation. Les modèles que le doctorant développera seront basés sur la simulation du transport et de l'annihilation des positrons dans le milieu interstellaire. Ils nécessiteront une étude détaillée des différents modes de transport (diffusion, advection, propagation balistique, etc…) et leur modélisation, en tenant compte des conditions physiques (turbulence, vents, champs magnétiques, etc...) du milieu interstellaire. Le modèle spectral sera mis à jour avec les sections efficaces les plus récentes. L'objectif de cet effort est de disposer de modèles d'annihilation des positrons galactiques à la pointe de nos connaissances qui seront fondamentaux pour l'interprétation des données de la mission COSI.
D'autre part, le doctorant confrontera ses modèles aux données du télescope INTEGRAL/SPI afin d'obtenir les meilleures contraintes (pré-COSI) sur l'annihilation des positrons galactiques. L'une des tâches consistera à rechercher la signature de l'émission de l'annihilation en vol et à fournir des contraintes sur l'énergie cinétique maximale des positrons. Sur la base de plus de 20 ans de données, le doctorant obtiendra la détermination la plus précise de la morphologie des émissions d'annihilation. Il réalisera aussi des analyses spectrales qui permettront de contraindre les conditions physiques des milieux où les positrons s'annihilent dans plusieurs régions de notre galaxie.
Les travaux de modélisation et d'analyse des données devraient donner lieu à plusieurs publications inédites. En outre, l'observatoire INTEGRAL sera arrêté à la fin de 2024 et le doctorant effectuera une analyse de la base de données complète qui a été collectée tout au long de la mission, fournissant ainsi les caractéristiques les plus abouties de l'émission d'annihilation de positrons galactiques.
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Since its discovery in the 1970s, a positron (the anti-particle of the electron) annihilation emission has been observed in the central regions of our Galaxy by various gamma-ray telescopes. The origin of these positrons remains a mystery; the sources considered to date (radioactive isotopes, jets from compact objects, cosmic rays, dark matter...) are unable to fully explain the properties of the annihilation emission. The latest observations made with the SPI spectrometer onboard the INTEGRAL space observatory in the middle 2010s show that the emission comes mainly from the galactic bulge, with a diffuse contribution from the disk. Even if the emission morphology is not well constrained so far, this spatial distribution, which has no equivalent at other wavelengths, is unlike any known source distribution. On the spectral side, the annihilation emissions is composed of a 511 keV line, an orthopositronium continuum at photon energy lower than 511 keV (due to annihilation of positron-electron bound states) and a continuum at high energy (>511 keV) due to the annihilation in-flight of relativistic positrons. While the two first components have been clearly observed, the annihilation in-flight has not yet been detected. Its detection would provide the maximum energy of positrons responsible of the annihilation emission. The shape of the line and the fraction of the emission in the orthopositronium continuum depend on the physical conditions (temperature, ionization fraction, abundances) in which low energy positrons annihilate.
The aim of the PhD is to prepare the scientific analysis of positron annihilation signatures with COSI (COmpton Spectrometer & Imager), NASA's future gamma-ray telescope, which will be launched into orbit in August 2027. This preparation consists on the one hand of the modelling of the spatial and spectral gamma-ray emission from positron annihilation on the basis of current knowledge of Galaxy properties and annihilation physics. The models that the PhD student will develop will be based on the simulation of the transport and the annihilation of positrons in the interstellar medium. It will require a detailed study of the various modes of transport (diffusion, advection, ballistic propagation, etc.), and their modeling, taking into account the physical conditions (turbulence, winds, magnetic fields, etc.) in the interstellar medium. Spectral model will be updated taking into account the latest cross sections. The aim of this effort is to have in hand a state-of-the-art positron annihilation model that will be fundamental for the interpretation of the data from the COSI mission.
On the other hand, the PhD student will confront the model to data of INTEGRAL/SPI telescope in order to derive the best pre-COSI constraints on Galactic positron annihilation. One of the tasks will consists in searching for the signature of the annihilation in-flight emission and provide constraints on the maximum kinetic energy of the positrons. Based on over 20 years of data, the PhD student will obtain the most precise determination of the morphology of the annihilation emissions. He will furthermore perform spatially-resolved spectral analyses that will constrain the physical conditions of the medium in which positrons annihilate and its variations throughout the Galaxy.
Both the modelling and the data analysis works are expected to lead to several innovative publications. Furthermore, the INTEGRAL observatory is going to be stopped at the end of 2024 and the PhD student will perform an analysis of the entire database that was collected throughout the mission, providing the most stringent characteristics of the Galactic positrons annihilation emission.
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Début de la thèse : 01/10/2025
Funding category: Contrat doctoral
Concours pour un contrat doctoral
Where to apply
- Website
- https://www.abg.asso.fr/fr/candidatOffres/show/id_offre/128476
Requirements
Specific Requirements
Etudiant ayant validé une formation en physique et/ou astrophysique avec une expérience (stage) en astrophysique.Student with a degree in physics and/or astrophysics with experience (internship) in astrophysics.
Additional Information
Work Location(s)
- Number of offers available
- 1
- Company/Institute
- Université de Toulouse
- Country
- France
- City
- TOULOUSE CEDEX 4
- Geofield
STATUS: EXPIRED
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