Polarimétrie aux longueurs d'onde millimétriques avec les instruments NIKA et NIKA2

Polarimetry at millimeter wavelenghts with the NIKA and NIKA2 instruments

• Auteur / Autrice : Alessia Ritacco
• Direction : Juan-Francisco Macias-Pérez, Alessandro Monfardini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 14/10/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Derome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paolo de Bernardis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Perdereau, Ken Ganga

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse des données

Détecteurs

Polarimétrie

Mots clés libres

Polarisation

Analyse de données

Instrumentation

Observations

Polarisation

Data analysis

Instrumentation

Observations

Résumé

Le rôle des champs magnétiques dans le processus de formation stellaire reste une question ouverte de l'astrophysique moderne.Récemment, les observations du satellite Herschel ont dévoilé que certaines structures filamenteuses seraient propices à ces processus de formation d’étoile. Ces structures filamenteuses ont été associées à des régions de champ magnétique bien organisé grâce aux observations polarimétriques du satellite Planck. Une meilleure compréhension du rôle des champs magnétiques lors de la formation stellaire requiert néanmoins des observations polarimétriques détaillées de la poussière galactique aux échelles de 0.01 - 0.1 pc.Des observations polarimétriques à hautes résolutions peuvent être effectuées au télescope de 30 mètres de l’IRAM en utilisant la caméra NIKA2.Le but de cette thèse a été de valider le concept et de caractériser les performances du polarimètre monté sur la caméra NIKA2. Ces tests et caractérisations ont été réalisés sur NIKA, le démonstrateur technologique de NIKA2, installée à l’IRAM de 2012 à 2015.NIKA consiste en deux matrices de 132 et 224 LEKIDS (Lumped Element Kinetic Inductance Detectors) qui couvrent un champ de vue (FoV) de ~1.8 arcminutes à 1.15 (260) et 2.05 (150) mm (GHz).Le système de polarisation est constitué d’une lame demi-onde tournante à mesh métalliques(HWP) et d’une grille métallique (polariseur). La rapidité des détecteurs LEKIDs combinée à la modulation de la lame permettent la mesure simultanée des trois paramètres de Stokes, I, Q, U, caractérisant la polarisation linéaire. Le signal est extrait en utilisant une procédure de “démodulation”, qui est équivalente à un lock-in autour de la quatrième harmonique de la fréquence de rotation de la lame.Dans la première partie de la thèse je présente la caractérisation instrumentale de l’efficacité du système développé. Ensuite, la chaîne d’analyse des données dédiée à la polarisation est présentée. Cette dernière a été spécifiquement développée pour l'instrument NIKA et a permis de reconstruire le signal observé en polarisation et de le projeter sur des cartes.La réduction des données observationnelles de sources non polarisées a révélé la présence d’un effet systématique. Celui-ci a été interprété comme résultant d’une polarisation instrumentale due à une perte d’intensité I vers les canaux de polarisation Q et U.Afin de corriger cet effet, un algorithme a été développé. Celui-ci permet de ramener la polarisation instrumentale, initialement de l'ordre de ~3 %, en-dessous du pour-cent.Enfin, les observations de sources polarisées corrigées de l'effet systématique ont confirmé le potentiel du polarimètre NIKA afin de mesurer la polarisation du ciel.Ces résultats ouvrent la voie à de prochaines observations polarimétriques avec la caméra NIKA2, installée en octobre 2015.Cette caméra dispose de deux bandes de fréquences à 260 (polarisé) et 150 (non polarisé) GHz pour un total de 3300 détecteurs, 12 et 18 arcsec FWHM de résolution et FoV de 6.5 diamètre arcminutes.Cette caméra fournira sans aucun doute une meilleure compréhension des interactions du champ magnétique dans le milieu interstellaire de notre Galaxie.

The role played by magnetic fields in the star formation process is an outstanding question of modern astrophysics. Herschel satellite observations have unveiled filamentary structures as the preferential sites of star formation. Complementary low resolution observations of dust polarization by the Planck satellite have demonstrated that these filamentary structures are associated to well organized magnetic fields, which should play a major role in this process. A better understanding of this process requires detailed observations of galactic dust polarization on scales of 0.01 pc to 0.1 pc. Such high resolution polarization observations can be carried out at the IRAM 30 meter telescope using the recently installed New IRAM Kid Array (NIKA2) camera, which features two frequency bands at 260 (polarized) and 150 (non polarized) GHz for a total of 3300 detectors, 12 and 18 arcsec FWHM resolution and Field of View (FoV) of 6.5 arcminutes diameter. The NIKA camera, which consists of two arrays of 132 and 224 LEKIDs (Lumped Element Kinetic Inductance Detectors) covering a FoV of ∼1.8 arcminutes at 1.15 (260) and 2.05 (150) mm (GHz), was installed at the IRAM 30 telescope from 2012 to 2015.The purpose of this thesis was the characterization of the NIKA polarization system performance. The system consisted of a rotating multi-mesh half wave plate and a grid polarizer. The rapidity of the LEKID detectors combined to the modulation of the HWP permits the simultaneous measurement of the three stokes parameters I,Q,U, components of the linear polarization. Then the signal is extracted with a lock-in procedure by isolating the amplitude of the mechanical rotation fourth harmonic.In the first part of the thesis the instrumental efficiency characterization of the system is presented. Later, the dedicated polarization data analysis is described. It has been specifically developed for the NIKA instrument and has allowed to map polarisation observations of compact and extended sources.The data reduction of unpolarized sources observations showed an instrumental polarization systematic effect. In order to correct for this effect an algorithm has been developed allowing to reduce an observed instrumental polarization of the order of ~ 3 % to below ~ 1%. In addition, polarized sources observations corrected for the systematic effect confirmed the potentiality of the NIKA polarimeter to measure the polarization. This opens the way to forthcoming observations with NIKA2 that will undoubtedly provide advances in the field of Galactic emission and interactions with the magnetic field.