Comparaison des techniques d’analyse de surface d’onde en plan focal dédiées aux missions spatiales d’imagerie directe et de spectroscopie des planètes extrasolaires

par Axel Potier

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Anthony Boccaletti et de Pierre Baudoz.

Soutenue le 11-09-2020

à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Astronomie et Astrophysique d'Ile de France , en partenariat avec LESIA - Laboratoire d'Etudes Spatiale et d'Instrumentation en Astrophysique (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Stéphane Mazevet.

Le jury était composé de Anthony Boccaletti, Pierre Baudoz, Laurent Pueyo, Fabien Malbet, Maud Langlois, Mathilde Beaulieu.

Les rapporteurs étaient Laurent Pueyo, Fabien Malbet.


  • Résumé

    Comprendre la formation, l'évolution et la surprenante diversité des planètes extrasolaires est un des grands enjeux de l'astrophysique moderne. En deux décennies, de nombreuses découvertes ont déjà révélé la nature complexe de plus de 4000 objets. Pourtant, on connaît peu de choses sur l'atmosphère de ces planètes alors qu’il s’agit d’un point crucial pour déterminer les conditions d'apparition de la vie ailleurs que sur Terre. L'imagerie directe est une technique appropriée à l'étude spectrale des atmosphères d'exoplanètes similaires à celles du Système Solaire.L'imagerie des exoplanètes est cependant limitée par le très grand contraste et par la proximité entre exoplanètes et étoiles. Des techniques optimisées pour l'imagerie à très haute dynamique telles que la coronographie sont donc indispensables. Les coronographes atténuent la lumière des étoiles sans affecter le signal provenant de leurs environnements proches pour le révéler. Cependant, la turbulence atmosphérique, ainsi que les défauts de polissage, les erreurs d'alignement et les dilatations thermiques des télescopes qui peuvent varier avec le temps limitent encore leurs performances. Des techniques de correction active d'aberrations composées de miroirs déformables et d'analyseurs de front d'onde équiperont alors les futurs instruments haute-dynamiques tels que les projets spatiaux WFIRST, HaBEX ou LUVOIR ou encore les instruments aux foyers des Extremely Large telescopes.L'instrument Très Haute Dynamique 2 (THD2) situé à l'Observatoire de Paris/LESIA est un banc de test dédié à ce type d'activité. Durant cette thèse, plusieurs algorithmes d'analyse et de contrôle du front d'onde développés par différentes équipes en Europe et aux États-Unis ont été testés et comparés dans les mêmes conditions de stabilité sur le THD2. Lors de ces tests, la technique d'analyse pair-wise associée à une technique de conjugaison du champ électrique a d'ailleurs démontré d'excellentes performances en contraste dans des conditions spatiales, sans aucune modification du design optique de l'instrument. Fort de cette expérience, cette méthode a alors été implémentée sur l'instrument haute-dynamique VLT/SPHERE dont les résultats sur source interne laissent entrevoir des améliorations en contraste de plusieurs ordres de grandeur.

  • Titre traduit

    Comparison of focal plane wavefront sensing technics dedicated to space missions for the direct imaging and spectroscopy of exoplanets


  • Résumé

    Understanding the formation, the evolution and the diversity of extrasolar planets is an important purpose in modern astrophysics. More than 4,000 objects have been discovered since the first discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star in 1995. Knowledge about atmospheres of these planets is crucial to determine the conditions for the appearance of life. However, it remains unknown while direct imaging technique would be a powerfull technique to study their spectra.Exoplanet imaging is limited by the large contrast and the small distance which exists between exoplanets and stars. Techniques optimized for high-contrast imaging such as coronography are therefore essential. Coronographs attenuate the light of stars without affecting the fait signal of their circumstellar environments. However, atmospheric turbulence, as well as polishing defects, alignment errors and thermal expansions of telescopes which can vary over time still limit their performance. Techniques dedicated to active correction of aberrations relied on deformable mirrors and wavefront sensors will equip future high-contrast imaging facilities such as WFIRST, HaBEX or LUVOIR spacecrafts or the Extremely Large telescopes.The instrument Très Haute Dynamique 2 (THD2) located at Observatoire de Paris/LESIA is a testbed dedicated to such projects. During this PhD, several wavefront sensor and control algorithms, originally developed by different teams in Europe and the United-States, were tested and compared under the same environmental conditions on the THD2. During these tests, the pair-wise sensor combined with an electric field conjugation technique has also demonstrated excellent contrast performance under spatial conditions, without any modification of the instrument optical path. This method was then implemented on the high-contrast VLT/SPHERE instrument in which we performed improvements in contrast of several orders of magnitude with the calibration unit.


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