Interférométrie hétérodyne moyen-infrarouge pour l'imagerie des environnements protoplanétaires

Revisiting heterodyne mid-infrared interferometry for the imaging of protoplanetary environments

• Auteur / Autrice : Guillaume Bourdarot
• Direction : Hugues Guillet de Chatellus, Jean-Philippe Berger
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Monin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Piétu, Carlo Sirtori
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rafael Millan-Gabet, Mehdi Alouini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Disques protoplanétaires

Mots clés libres

Interferométrie astronomique

Détection hétérodyne

Formation planétaire

Photonique

Moyen-Infrarouge

Étoiles jeunes

Astronomical interferometry

Heterodyne detection

Planet Formation

Photonics

Mid-Infrared

Young stars

Résumé

Ce travail de thèse porte sur l'étude des étoiles jeunes et de leur disque protoplanétaire à l'échelle de l'unité astronomique par interférométrie infrarouge. Il inclut à la fois des aspects observationnels et instrumentaux. Dans la partie observationnelle, nous nous concentrons sur les sursauts d'accrétion intervenant dans la formation des étoiles jeunes, à travers l'analyse de 20 ans de données d'observations interferométriques de l'étoile FU Orionis, afin d'apporter des contraintes sur le mécanisme d'instabilité à l'oeuvre dans son disque d'accrétion. Bien que l'interferométrie soit une technique puissante pour contraindre les parties internes des objets jeunes, sa capacité de reconstruction d'images de disques protoplanétaires est encore limitée. Dans la partie instrumentale de ce travail, nous explorons la capacité d'étendre la technique d'interférométrie infrarouge à un grand nombre de télescopes et des lignes de bases kilométriques dans le moyen-infrarouge, comme proposé dans le cadre de l'initiative internationale "Planet Formation Imager" (PFI). Dans cette perspective, la technique d'interferométrie hétérodyne présente un potentiel intéressant, malgré ses limites de sensibilité intrinsèque. Dans ce travail, nous proposons de revoir l'architecture d'un système interferométrique hétérodyne à la lumière des récents progrès dans le domaine des technologies moyen-infarouge. D'un point de vue théorique, nous analysons les performances en sensibilité attendues d'un système intégrant ces progrès techniques récents, et proposons de clarifier les limites de sensibilité fondamentales de cette technique dues au bruit quantique inhérent à ce schéma de détection. Parmi les différents défis technologiques de l'interferométrie hétérodyne, nous proposons d'aborder le problème de la limitation en bande-passante et de corrélation d'un grand nombre de signaux radio-fréquences (RF) à large bande passante, en introduisant l'utilisation d'un schéma de corrélation analogique photonique. Nous commençons par décrire le fonctionnement et l'implémentation d'un corrélateur analogique (double-sideband) simple. Nous présentons ensuite l'extension de ce concept à un corrélateur multi-délai de signaux RFs à grande bande passante, reposant sur une architecture de boucle à décalage de fréquence bi-directionnelle. Dans une dernière partie, nous présentons l'implémentation d'un démonstrateur de laboratoire à 10μm dédié à la validation de la chaîne complète de détection et de corrélation proposée dans cette thèse. Pour finir, nous décrivons le concept d'un instrument pouvant combiner les 8 télescopes de l'interferomètre du Very Large Telescope (VLTI) à 10μm. Nous discutons l'application potentielle de ce concept à l'imagerie d'étoiles jeunes brillantes, et les implications de ce concept dans la perspective d'un grand interferomètre destiné à l'imagerie de la formation planétaire tel que le Planet Formation Imager.

This thesis work focuses on the study at the astronomical scale of young stars and their protoplanetary disks with infrared interferometry. This work includes both observational and instrumental aspects. In the observational part, we focus on the accretion outburst occuring in the formation of young stars through a temporal monitoring of FU Orionis with 20 years of near-infrared interferometric data, in order to put constraints on the instability mechanisms at play in the disk. Although infrared interferometry is a powerful technique to constrain the structure of the inner region of young objects, its capability to perform complete image reconstruction of protoplanetary disk is still limited. In the instrumental part of this work, we explore the extension of infrared interferometers to the recombination of a large number of telescopes and kilometric baselines in the mid-infrared, such as proposed in the framework of the Planet Formation Imager (PFI) initiative. In this perspective, infrared heterodyne interferometry represents a potential interesting technology, despite its lower sensitivity. In this work, we propose the revisit the architecture of an infrared heterodyne interferometric system at the light of the recent progresses in the field of mid-infrared technologies. On a theoretical level, we analyze the sensitivity performances of a interferometer integrating these recent progresses, and clarify the fundamental limitations in sensitivity due to the intrinsic quantum noise of this technique. Among the different technological challenges of heterodyne interferometry, we propose to address the problem of bandwidth limitation and of the correlation of a large number of wideband radiofrequency signals by introducing the use of analog photonic correlation. We describe the principles and the experimental demonstration of a simple, double-sideband analog correlator. We then present the extension of this concept to a wideband multi-delay correlator for RF signal processing based on a bidirectional fiber frequency shifting loop. In a last part, we present the preliminary implementation of a laboratory demonstrator at 10μm dedicated to the validation of the complete detection and correlation chain devised in this thesis. Finally, based on the scalability of this technique, we describe the concept of a technological pathfinder combining the 8 telescopes of the Very Large Telescopes Interferometer (VLTI) at 10μm. We discuss its potential application to the imaging of bright young stars and its implication in the perspective of a PFI.