Développement de l'instrument CHARA/SPICA-VIS et optimisation d'un interféromètre stellaire à N bras

Development of the instrument CHARA/SPICA and optimisation of a N-telescopes stellar interferometer

• Auteur / Autrice : Cyril Pannetier
• Direction : Denis Mourard, Frédéric Cassaing
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 28/11/2022
• 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 : Guy Perrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Mourard, Frédéric Cassaing, Guy Perrin, Jean-Philippe Berger, Julien Woillez, Frantz Martinache, Karine Rousselet-Perraut
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Perrin, Jean-Philippe Berger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exoplanètes

Fibres monomodes

Astronomie -- Observations

Astronomie -- Instruments

Spectroscopie à haute résolution

Interférométrie

Mots clés libres

Interférométrie stellaire visible

Haute résolution angulaire

Cophasage

Dispersion longitudinale

Fibres optiques monomodes

Microlentilles

Simulation

Conception optique

Paramètres stellaires

Exoplanètes

Visible stellar interferometry

High angular resolution

Fringe-tracking

Longitudinal dispersion compensation

Single-mode fibers

Microlenses

Simulations

Optical design

Stellar parameters

Exoplanets

Résumé

L'interférométrie optique longue base permet d'atteindre des résolutions angulaires inaccessibles aux télescopes monolithiques. Née au XXème siècle, elle compte aujourd'hui plusieurs installations dans le monde, l'interféromètre Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA) étant leur représentant capable d'utiliser simultanément les télescopes les plus distants, jusqu'à 330 m, et les plus nombreux, six. L'observation dans le visible est d'un intérêt majeur car elle apporte la résolution angulaire nécessaire à la mesure directe des paramètres fondamentaux des étoiles, précieux pour la compréhension de leur évolution et la caractérisation de leurs environnements. Pour accéder à une gamme suffisamment complète d'étoiles, il est aujourd'hui nécessaire d'augmenter considérablement la magnitude limite pour lesquelles des mesures interférométriques précises peuvent être réalisées, en dépit de la turbulence atmosphérique. Grâce à l'utilisation d'une caméra à amplification d'électrons et à une optique adaptative plus performante permettant le filtrage spatial des champs par l'usage de fibres optiques monomodes, l'Observatoire de la Côte d'Azur a développé le spectro-interféromètre visible Stellar Parameters with Interferometric Cophased Array (SPICA), mesurant les visibilités complexes sur les quinze bases interférométriques de CHARA avec l'objectif principal de caractériser près d'un millier d'étoiles sur trois ans en relation, notamment, avec les objectifs de la mission PLATO.J'ai étudié et mis au point le recombineur de SPICA qui fait interférer dans un plan focal les six champs électromagnétiques monomodes sortis des fibres tout en mesurant leur flux individuel pour la calibration des visibilités, et cela pour trois résolutions spectrales distinctes 150, 4300 et 13100. Je présente les résultats de caractérisation de l'instrument et les travaux menés durant son intégration, notamment ceux concernant l'alignement des microlentilles, dont le collage devant les fibres est sujet à une dérive difficile à éviter, justifiant le choix d'une solution sans collage. Les instruments hébergés par CHARA couvrent la bande spectrale 0.6 à 2.5 µm. Pour permettre des observations simultanées sur une telle largeur de bande, j'ai défini à partir d'un catalogue de 340 verres une solution optimale en correction et transmission basée sur l'utilisation de deux Compensateurs de Dispersion Longitudinale (LDC) par bras, contre un habituellement, aujourd'hui opérationnelle.Afin de maximiser la visibilité instrumentale et la sensibilité de SPICA, l'équipe a développé un recombineur en optique intégré pour le spectro-interféromètre SPICA-FT qui stabilise les franges à 1.6 µm pour permettre l'allongement des temps d'intégration de tous les instruments de CHARA. J'ai été fortement impliqué dans les développements sur le ciel de SPICA-FT dont la logique de commande reprend celle de GRAVITY-FT, cophaseur infrarouge des quatre télescopes du VLTI, et l'adapte aux six télescopes de CHARA. Eclairé par le simulateur de suivi de franges COPHASING, package Python que j'ai développé durant ces trois ans, j'ai contribué à la définition de ses trois états de fonctionnement TRACK, RELOCK et SCAN et à son optimisation sur le ciel. SPICA-FT estime les corrections à apporter à partir des différences de marche mesurées entre les quinze paires de télescopes de CHARA. L'usage de toutes les paires n'est pourtant pas nécessaire et possède ses avantages et inconvénients en terme de sensibilité et robustesse du suiveur de franges. Grâce à l'architecture fortement modulaire de COPHASING, j'ai donc menée une étude permettant d'estimer les performances globales de recombineurs partiels et complets pour le cophasage de deux futurs réseaux interférométriques plus importants : CHARA étendu à sept télescopes et l'interféromètre à dix télescopes MROI. Les résultats semblent indiquer le besoin d'une grande flexibilité pour les cophaseurs de ces futures installations.

Long baseline optical interferometry makes it possible to reach angular resolutions that are inaccessible to monolithic telescopes. Born in the 20th century, it now has several installations around the world. The Center for High Angular Resolution Astronomy (CHARA) is its representative, capable of simultaneously using the greatest telescope separation, up to 330 m, and the greatest number of simultaneous optical telescopes, six. Observations in the visible range are of major interest because they provide the angular resolution necessary for the direct measurement of fundamental parameters of stars (morphology, rotation), which are precious for understanding their evolution and characterising their environments. To access a sufficiently complete range of stars, it is necessary to considerably increase the limiting magnitude for which precise interferometric measurements can be made, which is limited in particular by atmospheric turbulence. Thanks to the use of an electron amplification camera and more efficient adaptive optics which allow for spatial filtering of the fields through the use of single-mode optical fibres, the Observatoire de la Côte d'Azur (OCA) has developed a spectro-interferometer capable of measuring the complex visibilities of the fifteen telescope pairs formed by CHARA. The main objective of the Stellar Parameters with Interferometric Cophased Array (SPICA) instrument is to characterise a thousand stars over a three-year period in relation, in particular, to the objectives of the PLATO mission.I have studied and developed the SPICA recombiner, which interferes in a focal plane the six single-mode electromagnetic fields from single-mode fibres while measuring their individual flux to calibrate the visibilities. It operates at three distinct spectral resolutions: 150, 4300 and 13100. I present the results of the characterization of the instrument as well as the work carried out during its integration, in particular those concerning the alignment of the microlenses, whose bonding in front of the fibres is subject to a drift difficult to avoid. This led to the choice of a solution without bonding. The instruments hosted by CHARA currently cover the 0.6 to 2.5 µm spectral band. To allow simultaneous observations over such a bandwidth, I have defined from a catalogue of 340 glasses an optimal solution in terms of dispersion correction and transmission which is based on the use of two Longitudinal Dispersion Compensators (LDC) per arm, instead of a standard one per arm, and which is now operational.In order to maximise the instrumental visibility and sensitivity of SPICA, the team has developed an integrated optical recombiner for the SPICA-Fringe-Tracker (SPICA-FT) spectro-interferometer that stabilises the fringes at 1.6 µm to allow longer integration times for all CHARA instruments. I have been strongly involved in the development of SPICA-FT, whose control logic is based on that of GRAVITY-FT, the infrared cophasor for the four VLTI telescopes and is adapted to the six CHARA telescopes. Using the fringe tracking simulator package I developed in python, COPHASING, I contributed to the definition of SPICA-FT's three operating states TRACK, RELOCK and SCAN and to its on-sky optimization. SPICA-FT estimates the corrections to be made from the optical paths differences measured between the fifteen pairs of CHARA telescopes. However, the use of all pairs is not necessary and has its pros and cons in terms of sensitivity and robustness of the fringe tracker. Thanks to the highly modular architecture of COPHASING, I have, therefore, conducted a study to estimate the global performance of partial and complete fringe-sensors for the cophasing of two future larger interferometric arrays: a potential CHARA extended to seven telescopes and the ten-telescope MROI interferometer. The results suggest the need for a high degree of flexibility in the fringe-sensors for these future facilities.