L'expérience MAJIS : développement d'un imageur spectral pour les lunes de Jupiter

The MAJIS experiment : development of a hyperspectral imager for the Galilean moons

• Auteur / Autrice : Pierre Guiot
• Direction : Mathieu Vincendon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 28/10/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Maffei
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathieu Vincendon, Bruno Maffei, Bernard Schmitt, Pierre-Elie Crouzet, Aurélie Guilbert-Lepoutre, Didier Tiphene
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Schmitt, Pierre-Elie Crouzet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie hyperspectrale

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Étalonnage

Jupiter (planète) -- Satellites

Mots clés libres

Juice-Majis

Jupiter

Lunes galiléennes

Étalonnage

Spectro-Imagerie

Détecteurs infrarouge

Juice-Majis

Jupiter

Galilean moons

Calibration

Hyperspectral imaging

Infrared detectors

Résumé

La mission JUICE de l’ESA sera la troisième mission d’exploration entièrement dédiée au système de Jupiter, et la première à se concentrer sur les lunes Galiléennes glacées susceptibles d’abriter des océans d’eau liquide. Prévue pour un lancement en 2022 et une insertion en orbite jovienne fin 2029, la sonde emportera parmi ses 11 instruments le spectro-imageur MAJIS. Les données d’un tel instrument comprennent une image à haute résolution spatiale de la zone étudiée et un spectre pour chacun des pixels de cette image. Ce spectre, dans la gamme allant de 0.5 à 5.5 µm, permet d’obtenir des informations physico-chimiques sur le contenu du pixel concerné. Le laboratoire où j’ai effectué mon travail de thèse, l’IAS, s’est vu confier la responsabilité de la réalisation de MAJIS. Dans ce contexte, l’objectif de mon travail était de contribuer à la définition et à l’implémentation de l’étalonnage de l’instrument : j’ai pour cela dû comprendre d’abord ses objectifs scientifiques et les exigences instrumentales qui en découlent, et maîtriser les caractéristiques des sous-systèmes qui composent MAJIS. J’ai tout d’abord traité les données de l’imageur intégral de champ de SPHERE, un instrument du VLT, qui avait observé la lune Galiléenne volcanique Io en 2014. Bien que ce satellite soit un objectif mineur de la mission JUICE, j’ai dû me confronter au fonctionnement de l’instrument pour en réduire les données et le traitement des spectres a requis le développement d’un modèle photométrique d’observation de la surface que j’ai pu confronter à la réalité et à d’autres études. L’identification de nombreux biais systématiques dans ces données et la quantification de ses limites de détection spatiales et spectrales m’ont permis de souligner l’aspect critique de la phase d’étalonnage de MAJIS pour que ses données soient exploitables. Avant cette étape toutefois, la connaissance des sous-systèmes qui vont constituer l’instrument est elle aussi nécessaire car certains de leurs paramètres conditionneront le déroulement de cet étalonnage et ils ne pourront pas tous être mesurés à cette occasion. J’ai donc caractérisé, à l’aide des bancs optiques dédiés à l’IAS, le plan focal de l’instrument et surtout son détecteur CMOS infrarouge de type HgCdTe. J’ai pu mesurer ses caractéristiques les plus courantes, comme son courant d’obscurité, sa profondeur de puits, son efficacité quantique, son éventuelle persistance, son bruit de lecture et la linéarité de sa réponse. Dans le cas d’une mission vers Jupiter, un autre aspect des performances du détecteur doit être étudié en détail : sa résistance aux radiations, particulièrement intenses dans la magnétosphère jovienne. J’ai pu effectuer une série de tests sur des détecteurs témoins avec des sources d’électrons, de protons et de photons de hautes énergies, qui m’ont permis de montrer la très bonne résistance du plan focal aux dégâts permanents. Ces données ont aussi permis de caractériser expérimentalement le signal transient induit par un bombardement aux électrons, ce qui m’a permis de valider l’approche de filtrage de ce signal qui sera implémentée en vol. C’est enfin grâce aux résultats de ces trois approches et au développement d’un modèle photométrique complet de l’instrument et de son dispositif d’étalonnage, que j’ai pu discuter l’architecture de ce dernier et proposer des séquences de mesure pour la campagne d’étalonnage. J’ai donc travaillé avec les ingénieurs du laboratoire et des industriels pour réaliser ce dispositif d’étalonnage, sélectionner les sources de lumière qui permettront la mesure de la réponse spatiale, spectrale et radiométrique de l’instrument nécessaires à l’interprétation de ses données au cours de la mission. Au moment de la rédaction de ce manuscrit, le banc d’étalonnage était en cours d’assemblage et j’ai donc pu conclure ce travail par la confrontation de mon modèle aux résultats expérimentaux de validation de certaines voies optiques du dispositif d’étalonnage.

The ESA JUICE mission will only be the third mission fully dedicated to exploring the Jupiter system, and the first with a specific focus on the icy Galilean moons that may harbor oceans of liquid water. Planned for launch in 2022 for a Jovian orbit insertion in late 2029, the probe will carry MAJIS among its 11 instruments, an imaging spectrometer operating from the visible to medium infrared wavelengths. This type of instrument provides very comprehensive data of the observed surface or atmosphere/exosphere: its high spatial resolution capability provides geomorphological information, such as the presence of craters or faults that mark the age and activity of the terrain, while for each pixel a spectrum is acquired. This spectrum, ranging from 0.5 to 5.5 µm, yields physical and chemical information on the region of interest, thus placed in its geomorphic context. The Institut d'Astrophysique Spatiale, my PhD host laboratory, has a legacy of development of such instruments, prominently OMEGA aboard the 2003 Mars Express probe, of which MAJIS is the latest and current project. In this context, my work’s aim was to contribute to the definition and implementation of the instrument’s calibration: to achieve that I first had to understand its scientific objectives and the resulting instrumental requirements, as well as mastering the characteristics of MAJIS subsystems. As part of that process, I analyzed recent data of Io acquired with SPHERE, an integral field spectrometer on the VLT, which possesses similarities with the expected data products of MAJIS. Though this satellite is a minor objective of the JUICE mission, I had to understand the instrument itself in order to reduce its data and the spectra analysis required the development of a photometric model of a surface observation which I confronted to the reality and to previous studies. The identification of many systematic biases in these data and the quantification of its spatial and spectral detection limits allowed me to highlight the critical aspect in the upcoming calibration phase of MAJIS in order to get interpretable in-flight data. To reach this goal the knowledge of the subsystems of the instrument is also necessary because their behavior will condition the calibration scenario and all their parameters will not be measured again on this occasion. I have therefore characterized, using dedicated optical benches, the focal plane of the instrument and especially its HgCdTe CMOS infrared detector. I was able to measure its most common characteristics, such as its dark current, full-well capacity, quantum efficiency, persistence and readout noise. The knowledge of QE and full-well depth was incorporated into an end-to-end radiometric model of MAJIS, which I fed with the spectral radiance of different scientific targets, including modeled ionian surface flows. In turn, this allowed me to select sources and optical solutions suitable for calibration. Due to the intense radiation levels in the Jovian magnetosphere, the detector’s resilience to radiations also needed to be studied. I was able to perform three test campaigns on control detectors with sources of electrons, protons and high energy photons, which allowed me to show the overall very good resilience of the focal plane to permanent damages and to validate the foreseen transient effects reduction algorithms. These three approaches required that I develop a complete photometric model of the instrument and of its calibration setup which I used to discuss its design and submit test sequences for the calibration campaign. I have worked with our laboratory engineers and industrials to design then build the calibration setup with the light sources that will allow measurement of the spatial, spectral and radiometric responses of the instrument, required to interpret its data during the mission.