Tolérancement des télescopes spatiaux fondé sur le contraste pour l'imagerie d'exoTerres

Contrast-based tolerancing of space telescopes for exoEarth imaging

• Auteur / Autrice : Iva Laginja
• Direction : Laurent Mugnier, Rémi Soummer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Anthony Boccaletti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Mugnier, Rémi Soummer, Christophe Vérinaud, Philip Hinz, Raphaël Galicher, Rebecca Jensen-Clem, Vanessa Bailey
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Vérinaud, Philip Hinz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie en astronomie

Optique

Télescopes spatiaux

Mots clés libres

Imagerie haute contraste

Telescopes segmentés

Cophasage

Coronagraphie

High contrast imaging

Segmented telescopes

Cophasing

Coronagraphy

Résumé

L'imagerie directe d'exoplanètes est une science en plein essor aujourd'hui. Les photos émis par l'exoplanète sont porteurs d'information sur la composition de son atmosphère, et témoins de biomarqueurs. Depuis la première planète imagée en 2004 (2M1207), des instruments dédiés à l'imagerie directe ont été mis en opération sur les plus grands observatoires au sol (Paranal, Gemini). Les planètes visées par ces systèmes sont des géantes gazeuses de type jupiters chauds.Le prochain défi est d'imager des planètes de plus petite taille, donc moins lumineuses, et proches de leur étoile hôte.Les futurs systèmes dédiés à ce type d'imagerie devront donc imager une planète plus proche que 0.1 arcseconde de son étoile, et jusqu'à 10^10 fois plus ténue. Ces performances, inatteignables aujourd'hui, ne pourront être atteintes que dans l'espace à bord de télescopes géants qui seront forcément segmentés. La qualité optique nécessaire à une telle imagerie nécessitera par ailleurs une maîtrise parfaite du front d'onde, à des niveaux plus petits que le nanomètre.Cette thèse aborde des méthodes essayant de comprendre, détecter et contrôler ces aberrations avec des techniques de détection et de contrôle de front d'onde. Considérant que le but ultime est d'imager une Exo-Terre à un rapport de flux de 10-10, le front d'onde dans ces systèmes doit être contrôlé au niveau du picomètre.Des stratégies pour la création et le maintien de contrastes profonds sur des télescopes à ouverture segmentée comme le télescope Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR), l'un des modèles phares de la NASA, sont en cours de développement. En outre, des démonstrations en laboratoire de ces méthodes sont effectuées sur le banc optique High-contrast imager for Complex Aperture Telescopes (HiCAT), un démonstrateur au niveau du système pour la coronagraphie segmentée.

High contrast imaging of exoplanets is currently an upsurging science. Images of exoplanets carry information about its atmosphere, which can show traces of biomarkers. Since the first exoplanet was directly imaged in 2004 (2M1207), new instruments dedicated to high contrast imaging have been installed on the biggest ground based observatories on Earth (Paranal, Gemini). The exoplanets that are targeted by these instruments are giant gaseous bodies known as Hot Jupiters.The next goal is to image exoplanets smaller in size, which will also make them less luminous, and closer to their host star.Future systems dedicated to this kind of imaging hence have to be capable of imaging a planet closer than 0.1 arc seconds to its host star and up to 10^10 times dimmer than the star. These capabilities, unachievable today, can only be reached with a space based giant telescope that will necessarily have to be segmented. The optical quality of such an imaging system will require a perfect wavefront control on levels smaller than a nanometer.This thesis is addressing methods trying to understand, sense and control these aberrations with wavefront sensing and control techniques. Considering that the ultimate goal is to image an Exo-Earth at a flux ratio of 10-10, the wavefront in these systems needs to be controlled on the picometer level.Strategies for the creation and maintenance of deep contrasts on segmented aperture telescopes like the Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR) telescope, one of the NASA flagship designs, are being developed. Further, laboratory demonstrations of these methods are being performed on the High-contrast imager for Complex Aperture Telescopes (HiCAT) testbed, a system-level demonstrator for segmented coronagraphy.