Correction active des aberrations de bas ordre pour l'observation d'exo-Terres avec les futurs grands observatoires

Active correction of low-order aberrations for exo-Earth imaging with future large observatories

• Auteur / Autrice : Raphaël Pourcelot
• Direction : Marcel Carbillet, Mamadou N'Diaye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 27/10/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Vanessa Hill
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marcel Carbillet, Mamadou N'Diaye, Vanessa Hill, Dimitri Mawet, David Mouillet, Élodie Choquet, Elsa Huby, Rémi Soummer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dimitri Mawet, David Mouillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exoplanètes

Astronomie -- Instruments

Coronographes

Ondes -- Propagation

Mots clés libres

Contrôle de front d'onde

Coronographie

Instrumentation optique

Astronomie

Exoplanètes

Wavefront control

Coronagraphy

Optical instrumentation

Astronomy

Exoplanets

Résumé

Former des images d'exoplanètes, et plus particulièrement des exo-Terres, représente un défi technologique considérable en raison du fort contraste, allant jusqu'à 10^-10, et de la faible séparation angulaire, moins de 50 milliarcsecondes, entre l'étoile et la planète. Les grands télescopes constituent une option attrayante pour obtenir la résolution et la sensibilité suffisantes afin d'accéder au flux lumineux issu de la planète. Ces futurs observatoires disposeront de miroirs primaires segmentés, débouchant sur un diamètre total de plus de 30 m au sol et au delà de 6 m dans l'espace. En outre, combiner ces télescopes avec un coronographe qui rejette la lumière stellaire est une solution encourageante pour rendre le contraste plus favorable à l'étude d'exoplanètes.Des designs récents de coronographes couplés à de l'optique active permettent de creuser un trou sombre dans l'image d'une étoile observée, afin d'atteindre les niveaux de contraste requis. Néanmoins, de nombreuses sources d'instabilité, telles que les variations thermiques, les vibrations ou les contraintes mécaniques, génèrent des aberrations optiques qui empêchent le maintien du contraste pendant les observations. L'utilisation combinée de plusieurs analyseurs de surface d'onde et miroirs déformables apparaît alors comme un moyen primordial pour maîtriser ces aberrations en temps réel.En revisitant les méthodes d'optique adaptative (OA) destinées à corriger les effets de la turbulence atmosphérique sur l'image d'une étoile, cette thèse propose des approches de stabilisation active de contraste d'un coronographe pour des aberrations à divers régimes de fréquences spatiales ou temporelles, dans le cas de grands télescopes au sol ou dans l'espace. Dans la démarche présentée, un analyseur de surface d'onde de Zernike (ZWFS) est mis en œuvre pour tirer profit de son excellente sensibilité et ainsi exploiter au mieux les photons disponibles.Pour les futurs grands télescopes segmentés au sol, tels que l'Extremely Large Telescope ou le Thirty Meter Telescope, la première solution présentée dans cette thèse est l'emploi d'un deuxième étage d'OA intercalé entre le premier étage et un coronographe. Cette stratégie basée sur un ZWFS rend possible la mesure et la correction de plusieurs types d'aberrations au plus près du coronographe, tels que les aberrations de chemin non-communes non visibles par l'OA, les résidus de turbulence non corrigés, ou les défauts de cophasage des segments du miroir primaire. Des tests expérimentaux sur le banc MITHiC ont permis de valider le contrôle de ces erreurs à un niveau nanométrique.Dans la perspective des télescopes post-James Webb, une seconde approche est ensuite proposée afin de stabiliser un coronographe conçu pour le spatial. Dans ce cas, le ZWFS est installé dans la lumière rejetée par le coronographe et contenant des informations sur les aberrations de bas ordre. L'analyseur laisse ainsi intact le signal pour les observations. Une première démonstration d'une boucle d'asservissement de ces erreurs est présentée sur le banc HiCAT. L'expérience valide la correction des aberrations introduites par des perturbations du banc au niveau sub-nanométrique, ainsi que la stabilisation du contraste en plan focal de manière aveugle. Dans l'optique d'un système complet d'imagerie à haut contraste, la boucle de correction est ensuite combinée à l'algorithme creusant les trous sombres en plan focal avec des miroirs déformables communs, ouvrant la voie à une utilisation en parallèle de multiples systèmes de contrôle de front d'onde.Ces résultats de stabilisation de coronographes constituent une étape essentielle vers la réalisation d'observatoires capables d'imager et d'analyser spectralement des planètes similaires à la Terre.

Imaging exoplanets, especially exo-Earths, is a considerable technological challenge because of the high contrast, up to 10^-10, and the small angular separation, less than 50 milliarcseconds, between the star and the planet. Large telescopes represent an attractive option to achieve the resolution and sensitivity to access the light flux from the planet. These future observatories will use segmented primary mirrors, leading to a total diameter of more than 30 m on the ground and more than 6 m in space. In addition, combining these telescopes with a coronagraph that rejects starlight is an encouraging solution to make the contrast more favorable for exoplanet studies.Recent designs of coronagraphs coupled with active optics allow digging a dark hole in the image of an observed star, thus providing the required contrast levels. Nevertheless, many sources of instability, such as thermal variations, vibrations, or mechanical constraints, generate optical aberrations that prevent the maintenance of contrast during observations. The combined use of several wavefront sensors and deformable mirrors appears to be a critical means to control these aberrations in real time.By revisiting adaptive optics (AO) methods designed to correct for the effects of atmospheric turbulence on the image of a star, this thesis shows approaches for active stabilization of a coronagraph contrast. The proposed solutions cover various spatial or temporal frequency regimes of aberrations, in the case of large telescopes on the ground or in space. In the presented approach, a Zernike wavefront sensor (ZWFS) is implemented to take advantage of its excellent sensitivity and thus to optimally exploit the available photons.For future large, segmented ground-based telescopes, such as the Extremely Large Telescope or the Thirty Meter Telescope, the first solution presented in this thesis is to use a second stage AO inserted between the first stage and a coronagraph. This ZWFS-based strategy enables the measurement and the correction for several types of aberrations as close as possible to the coronagraph. These aberrations include non-common path aberrations that are invisible by the AO, uncorrected turbulence residuals, or cophasing errors of the primary mirror segments. Experimental tests on the MITHiC testbed have validated the control of these errors at the nanometric level.In the prospect of post-James Webb telescopes, a second approach is then proposed to stabilize a coronagraph designed for space applications. In this case, the ZWFS is installed in the light rejected by the coronagraph and containing information on the low-order aberrations. The sensor thus leaves the signal intact for observations. A first demonstration of a control loop is presented on the HiCAT testbed. The experiment validates the correction at the sub-nanometric level of aberrations introduced by testbed perturbations, as well as the blind stabilization of the contrast in the focal plane. In the perspective of a complete high-contrast imaging architecture, the correction loop is then combined with the dark hole algorithm with common deformable mirrors, paving the way for parallel use of multiple wavefront control systems.These coronagraph stabilization results represent an essential step towards the realization of observatories capable of imaging and spectrally analyzing Earth-like planets.