Développement d’un prototype instrumental pour la caractérisation de jeunes géantes exoplanètes

Development of a prototype instrument for the direct characterisation of young giant exoplanets

• Auteur / Autrice : Mona El Morsy
• Direction : Arthur Vigan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Instrumentation
• Date : Soutenance le 30/03/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Beuzit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arthur Vigan, Dimitri Mawet, Claire Moutou, Elsa Huby, Alexis Carlotti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Mawet, Claire Moutou
• DOI : 10.70675/1e9dd561z5bc9z45cfza637z72423c520604

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exoplanètes

Télescopes

Spectrographes

Spectrométrie de masse

Spectroscopie

Optique adaptative

Physique nucléaire -- Instruments

Astronomie -- Instruments

Mots clés libres

Exoplanètes

Instrumentation

Imagerie directe

Exoplanets

Instrumentation

Direct imaging

Résumé

Sur les grands télescopes terrestres, la combinaison de l'optique adaptative extrême et de la coronagraphie avec la spectroscopie à haute dispersion, appelée coronagraphie à haute dispersion (HDC), est apparue comme une technique puissante pour la caractérisation directe des exoplanètes géantes. La haute résolution spectrale apporte un gain important en termes de caractéristiques spectrales accessibles, et permet une meilleure séparation des signaux stellaires et planétaires. L'instrument HiRISE, sujet principal de cette thèse, vise à exploiter ces facteurs de succès anticipés et base sa stratégie d'observation sur l'utilisation de quelques fibres scientifiques : l'une est dédiée à l'échantillonnage du signal de la planète, tandis que les autres à échantillonner la lumière résiduelle des étoiles dans le champ de tavelures. Pour des raisons de précision et de stabilité, les fibres monomodes (SMF) sont optimales pour alimenter en lumière les spectrographes, comme c'est le cas sur HiRISE. Elles sont utilisées dans le plan focal des télescopes pour leur effet de filtrage spatial. Cependant, l'efficacité de couplage d'une PSF dans une SMF est difficile en raison de leurs propriétés intrinsèques.L'un des défis d'HiRISE réside dans le centrage, dit à l'aveugle, de la PSF d'une planète déjà connue et détectée par SPHERE dans une SMF. La module d'injection de fibre (FIM) joue un rôle critique puisqu'il va récupérer la PSF de la planète dans SPHERE et l'injecter dans une SMF situé dans le toron de fibres afin d'alimenter le spectrographe. Pour maximiser l'efficacité du couplage, la PSF de la planète doit être positionnée avec une précision meilleure que 0,1 λ/D (4 mas dans la bande H pour SPHERE) afin de minimiser les pertes de flux. Il est donc essentiel de définir la meilleure stratégie possible pour HiRISE afin de centrer la PSF d'une planète sur une SMF.Trois stratégies de centrage sont prévues, basées sur la rétro-injection de fibres pour localiser la position de la fibre scientifique, sur une fibre de centrage ou sur la combinaison des deux. J'ai mis en œuvre ces approches et comparé leur précision de centrage en utilisant une configuration améliorée du banc d'essai MITHiC, qui reproduit la configuration de l'instrument utilisé dans HiRISE.Mes résultats démontrent qu'il est difficile d'atteindre une précision de 0,1 λ/D , quelle que soit la stratégie de centrage choisie. Cela nécessite un haut niveau de précision à chaque étape de la procédure de centrage, qui peut être atteint avec des instruments très stables. J'ai étudié les facteurs contribuant à l'erreur de centrage et j'ai proposé une quantification des termes ayant le plus d'impact. En outre, je contribue actuellement à la préparation de la phase AIT de HiRISE au LAM et je contribue à établir une procédure de validation des stratégies de centrage sur le ciel. L'alignement du système est basé sur un SPHERE simulateur qui reproduit les principales caractéristiques du faisceau IFS dans SPHERE et permet de vérifier la qualité de l'image et du front d'onde. Le but de mon travail est d'analyser les différences entre le travail effectué sur MITHiC et son implémentation sur HiRISE, et d'extrapoler cela aux défis que nous rencontrerons sur le ciel. Une validation concernant la meilleure stratégie de centrage pour HiRISE émergera de la phase d'AIT, mais la décision finale concernant la stratégie de centrage sera prise après les premiers tests sur le ciel.Il est probable que le HDC continuera à utiliser des spectrographes alimentés par des fibres dans un avenir proche. Mon étude prépare donc le terrain pour des instruments comme RISTRETTO/VLT, PCS/ELT, MODHIS/TMT -- ou des missions phares post-JWST. Mots clés: haute résolution angulaire, spectrographes, optique adaptative, coronographie à haute dispersion, exoplanètes

On large ground-based telescopes, the combination of extreme adaptive optics and coronagraphy with high-dispersion spectroscopy, referred to as high-dispersion coronagraphy (HDC), emerged as a powerful technique for the direct characterisation of giant exoplanets. The high spectral resolution of this method brings a major gain in terms of accessible spectral features, and enables a better separation of the stellar and planetary signals. The instrument HiRISE, the main topic in this thesis, aims to exploit these anticipated success factors. It bases its observing strategy on the use of a few science fibres: one is dedicated to sampling the planet's signal, while the others sample the residual starlight in the speckle field. For precision and stability purposes, single-mode fibres (SMF) are optimal for feeding light into spectrographs, as achieved on HiRISE. They are used in the focal plane of telescopes for their spatial filtering effect. However, efficiently coupling a PSF into a SMF is inherently challenging due to their intrinsic properties described throughout this thesis.One of the challenges of HiRISE resides in blindly centring the planet's signal of a previously known exoplanet detected by SPHERE into a SMF. The FIM part plays a critical role since it will pick up the planet's PSF in SPHERE and inject it into a SMF located in the fibre bundle to feed the spectrograph. To maximise the coupling efficiency, the planet's PSF must be positioned with an accuracy better than 0.1 λ/D (4 mas in the H band for SPHERE) to minimise light losses. Therefore, defining the best possible strategy for HiRISE to centre the planet's PSF on a SMF is essential. Three centring strategies are foreseen, based on retro-injecting calibration fibres to localise the position of the science fibre, on a dedicated centring fibre, or on the combination of both. I implemented these approaches and compared their centring accuracy using an upgraded setup of the MITHiC HCI testbed, which emulates the instrument setup used in HiRISE. My results demonstrate that reaching a specification accuracy of 0.1 λ/D is challenging regardless of the chosen centring strategy. It requires a high level of accuracy at every step of the centring procedure, which can be reached with very stable instruments. I studied the contributors to the centring error and proposed a quantification for the most impactful terms. In addition, I contribute to the AIT phase preparation of HiRISE at LAM and investigate how to validate the centring strategy on sky. The alignment of the system is based on a SPHERE simulator that reproduces the main characteristics of the SPHERE IFS beam and enable to verify the image and wavefront quality. The goal of our my work is to analyse the difference between the work done on MITHiC and its implementation on HiRISE, and to extrapolate to the challenges we will met on sky. Some validation regarding the best centring strategy for HiRISE will emerge from the AIT phase, but the final decision regarding the centring strategy will be taken after the on-sky tests.It is likely that HDC will continue using fibre-fed spectrographs in the foreseeable future. My study therefore prepares the ground for instruments like RISTRETTO/VLT, PCS/ELT, MODHIS/TMT - or post-JWST flagship missions. Keywords: high-angular resolution, spectrographs, adaptive optics, high-dispersion coronagraphy, exoplanets