Recherche de pulsars, transitoires et exoplanètes à basses fréquences avec le radiotélescope UTR-2 : méthodes et premiers résultats

Pulsars and transients survey, and exoplanet search at low-frequencies with the UTR-2 radio telescope : methods and first results

• Auteur / Autrice : Iaroslavna Vasylieva
• Direction : Vyacheslav Zakharenko, Philippe Zarka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2015
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Pelat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vyacheslav Zakharenko, Philippe Zarka, Dmytro Lupishko, Roman Motiyenko, Lilian Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dmytro Lupishko, Roman Motiyenko, Lilian Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radio -- Interférence

Traitement du signal

Radiotélescopes

Exoplanètes

Pulsars

Résumé

Le recherché et l’étude de sources radio transitoires, en particulier à basses fréquences, est un des projets clés de la nouvelle génération de radiotélescopes comme SKA et ses précurseurs, parmi lesquels LOFAR, NenuFAR et GURT. Ces sources incluent les étoiles à neutrons – produisant un signal périodique, détectées comme pulsars -, d’autres objets très magnétisés compacts ou des événements très dynamiques ou explosifs – produisant des transitoires non périodiques -, et des exoplanètes – dont certaines sont, comme Jupiter, susceptibles d’émettre des sursauts radio décamétriques. Les « survey » observations systématiques à basses fréquences peuvent révéler des pulsars proches, « manqués » par les surveys à plus hautes fréquances en raison de l’orientation « défavorable » de leurs cônes d’émission, qui s’élargissent aux basses fréquences. Ils devraient également permettre de mieux caractériser le spectre des pulsars détectés à la fois à hautes et basses fréquences. Les surveys de transitoires non périodiques peuvent révéler des phénomènes astrophysiques uniques, tels que les mystérieux « sursauts radio rapides » d’origine extragalactique ou leurs analogues galactiques. L’existence de sursauts radio produits par les magnétosphères exoplanétaires ou les interactions plasma exoplanète- étoile a été prédite par la théorie, en particulier aux basses fréquences (comme l’émission décamétrique de Jupiter). Mais aucun n’a été détecté jusqu’à présent. La première détection, et les études qui la suivront, ouvriront à une meilleure compréhension des processus d’émission radio et à des mesures uniques des champs magnétiques des exoplanètes, avec des répercussions sur leur habitabilité. L’objectif de cette thèse était (i) effectuer un survey de sources d’émissions radio pulsées et transitoires, et (ii) tenter de détecter ‘émission de radio d’une exoplanète connue (découverte par mesures optiques), en utilisant le radiotélescope décamétrique UTR-2 en Ukraine, en mode de réseau phasé. Les deux sujets impliquent le traitement des grands volumes de données, avec notamment des étapes d’élimination des RFI (parasites radio), d’étalonnage du signal, et de détection de sursauts faible. J’ai développé des outils logiciels génériques à partir desquels j’ai construit un pipeline de traitement automatisé des données d’UTR-2, qui peut être facilement adapté à d’autres radiotélescopes observant en mode réseau phasé (LOFAR, NenuFAR et GURT).

The search and study of transient sources of radio emission, especially at low frequencies, is one of the key projects for the new generation of radio telescopes such as SKA and its precursors among which LOFAR, NenuFAR and GRUT. These sources includes neutrons stars – producing a rotation modulated signal and detected as pulsars -, other compact highly magnetized objects or very dynamic or explosive events – producing non-periodic transients -, and exoplanets – some of which are expected to emit Jupiter -like decameter- wave radio bursts. Low-frequency surveys are expected to reveal nearby pulsars “missed” by high frequency surveys, due to the “unfavorable” orientation of their emission cones, which broaden at low frequencies, and to better characterize the spectrum of pulsars detected at both high and low frequencies. Surveys of non-periodic transients may reveal unique astrophysical phenomena, such as the mysterious extragalactic “fast radio bursts” or their galactic analogs. Radio bursts from the magnetospheres of exoplanets or from exoplanet-star plasma interaction has been theoretically predicted to exist preferably at low frequencies (as Jupiter’s decameter-wave radio emission), although none has been detected so far; first detection and subsequent study will result in better understanding of emission processes and unique measurements of exoplanets’ magnetic fields, that have implications on their habitability. The aim of this work was (i) to carry out a survey for sources of transient and pulsed radio emission, and (ii) to attempt to detect radio emission from known exoplanets (discovered from optical measurements), by using the decameter radio telescope UTR-2 in Ukraine in beamformed (phased array) mode. Both topics imply to process large volumes of data, including RFI (Radio frequency Interference) mitigation, calibration, and detection of low intensity bursts. Thus, I developed generic software tools from which I built and automated processing pipeline for UTR-2 data, that can be easily adapted to other radio telescopes observing in beamformed mde (LOFAR, NenuFAR and GRUT).