Thèse soutenue

Lois de commande avancées pour l'imagerie d'exo-planètes par optique adaptative

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Auteur / Autrice : Nelly Natalia Cerpa Urra
Direction : Caroline KulcsárHenri-François RaynaudMarkus Kasper
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 15/11/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Organisation européenne pour des recherches astronomiques dans l'hémisphère austral
référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Philippe Ben-Abdallah
Examinateurs / Examinatrices : Caroline Kulcsár, Maud Langlois, Rodolphe Conan, Christophe Lovis
Rapporteurs / Rapporteuses : Maud Langlois, Rodolphe Conan

Résumé

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L'imagerie des exoplanètes est un défi à la fois technologique et scientifique. L'instrumentation des télescopes au sol doit produire des images à haut contraste au voisinage d'étoiles brillantes, tandis que des techniques d'observation appropriées doivent être mises en œuvre pour pouvoir détecter les compagnons stellaires. Cet objectif scientifique exigeant est rendu possible grâce aux systèmes d'optique adaptative (OA) extrême (XAO), qui sont capables de corriger en temps réel la déformation des images due à la turbulence. Des instruments équipés de XAO sont opérationnels sur des télescopes de classe 8 m, par exemple SPHERE au Very Large Telescope ou GPI à l'Observatoire Gemini Sud. Cependant, l'imagerie de compagnons très proches de leur étoile hôte et/ou d'extrêmement faible intensité nécessite d'améliorer un terme majeur du budget d'erreur en XAO : l'erreur temporelle due à la présence de retards inhérents à tout système d'OA. En effet, les systèmes opérationnels actuels n'atteignent pas le contraste nécessaire pour obtenir l'image directe d'une petite exoplanète (comme Proxima b), et par ailleurs ils ne peuvent pas être facilement modifiés pour atteindre la sensibilité requise. Dans ce manuscrit, nous considérons un système d'OA en cascade à deux étages (CAO), obtenu en ajoutant en série à un système XAO existant (le 1er étage) un autre système d'OA plus rapide et plus sensible (le 2e étage). Ce 2e étage est équipé d'un analyseur de front d'onde de type pyramide (PWFS) qui permet une meilleure sensibilité qu'un analyseur Shack-Hartmann (SHWFS). Nous proposons deux structures différentes de CAO et considérons l'utilisation d'une commande prédictive pour le 2e étage : un régulateur linéaire quadratique gaussien (LQG).Le manuscrit présente le contexte de nos travaux en termes d'instruments XAO existants, en se concentrant sur les améliorations qui peuvent être apportées pour l'imagerie à haut contraste, ainsi que sur les éléments clé d'un système CAO pour un télescope de classe 8 m. Un premier système CAO est proposé, composé d'un 1er étage à résolution spatiale élevée mais lent (fréquence d'échantillonnage de l'ordre de 1 kHz) corrigeant la phase turbulente entrante. La phase résiduelle qui en résulte est envoyée à un 2e étage à basse résolution spatiale mais rapide (fréquence d'échantillonnage de 4 kHz), équipé d'un PWFS. Des correcteurs à action intégrale sont utilisés pour les deux étages. Les simulations numériques démontrent que cette architecture CAO standard améliore globalement la performance, avec un meilleur contraste à faible séparation angulaire. Nous étudions également la durée de vie des tavelures et leur contribution au bruit lors de longues poses.Ce système CAO est ensuite amélioré par l'ajout d'un schéma de compensation pour traiter les composantes haute fréquence et non stationnaires dues au sur-échantillonnage effectué par le 2e étage. Nous expliquons comment cette astuce permet d'améliorer les performances grâce au fait que le 2e étage se comporte alors comme un étage rapide autonome avec une meilleure sensibilité, tout en bénéficiant de la résolution spatiale plus fine du 1er étage. Nous effectuons également des simulations numériques et une évaluation des performances de ce nouveau système en remplaçant l'intégrateur du 2e étage par un régulateur LQG. L'évaluation des performances en termes de contraste montre une amélioration significative pour cette nouvelle structure CAO par rapport à un système XAO à un seul étage ou par rapport à la structure CAO initiale. L'utilisation du régulateur LQG améliore encore le contraste en particulier à faible séparation angulaire. Une telle performance mettrait par exemple à portée de main la détection de l'oxygène dans l'atmosphère de Proxima b (s'il était présent en quantité de façon similaire à la Terre).