Le doctorat correspond au troisième cycle des études universitaires. Entrepris après l'obtention d'un diplôme de master et d'un financement doctoral, il est préparé en trois ans au sein d'une Ecole Doctorale qui fédère les laboratoires susceptibles d'accueillir les doctorants : l'Ecole Doctorale d'Astronomie et Astrophysique d'Ile de France (ED 127) et l’Ecole Doctorale de Physique en Ile de France (ED 564 PIF) pour les doctorats préparés à l'IAP.
Un travail de recherche original, supervisé par un directeur ou une directrice (voire deux co-directeurs) de thèse au sein du laboratoire où se déroule la thèse, constitue l'essentiel de l'activité des futurs docteures et docteurs. Le directeur ou la directrice de thèse principale doit posséder l’Habilitation à Diriger des Recherches, et le ou la doctorante doit être inscrite dans l’Ecole Doctorale de rattachement de celui-ci ou de celle-ci. Le travail de thèse conduit à une soutenance, durant laquelle les résultats sont présentés devant un jury en vue du grade de docteur. La soutenance est conditionnée à l’obtention d’une autorisation, délivrée par l’université au vu des rapports sur la thèse rédigés par deux membres du jury.
Un complément de formation est assuré par l'Ecole doctorale de rattachement durant les trois années de thèse (Formation post-master de l’Ecole Doctorale « Astronomie et Astrophysique d’Ile-de-France »). Certaines doctorantes ou doctorants ont aussi la possibilité d'effectuer une mission doctorale (généralement une mission d'enseignement dans l'université d'inscription).
La thèse constitue une première expérience professionnelle conduisant à l'obtention d’un contrat post-doctoral ou à un emploi (filières en astronomie). Le suivi du devenir professionnel des doctorantes et doctorants est assuré par les Ecoles Doctorales.
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