Auto-optimisation de l'optique adaptative et caractérisation de systèmes exoplanétaires

Self-optimization of adaptive optics and characterization of exoplanetary systems

• Auteur / Autrice : Nour Skaf
• Direction : Anthony Boccaletti, Olivier Guyon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 02/03/2023
• 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 : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Guy Perrin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anthony Boccaletti, Olivier Guyon, Marcel Carbillet, Vanessa Bailey, Maud Langlois, Pierre-Olivier Lagage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marcel Carbillet, Vanessa Bailey

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planètes -- Atmosphères

Optique adaptative

Beta Pictoris

Exoplanètes

Mots clés libres

Exoplanètes

Optique adaptative

Disque circumstellaire

Caractérisation atmosphérique

Adaptive optics

Exoplanets

Circumstellar disk

Atmospheric characterisation

Résumé

Avec plus de 5200 exoplanètes découvertes, notre compréhension de la formation et de l'évolution des planètes est mise à l'épreuve. L'étude de leur atmosphère et de leurs processus de formation est cruciale pour trouver et caractériser des planètes semblables à la Terre. Dans ce contexte, ma thèse s'articule autour de trois aspects visant cet objectif. J'ai d’abord étudié l'atmosphère des exoplanètes, avec trois Jupiter chauds (WASP-127b, WASP-79b et WASP-62b), observés en transit avec le télescope spatial Hubble dans le proche infrarouge. Leur analyse atmosphérique a révélé d'importantes caractéristiques de l'eau et la présence possible d'hydrate de fer (FeH). Outre la méthode des transits, la technique d'imagerie directe est unique pour évaluer la population de planètes géantes à longue période. Cependant, il est très difficile et pourtant nécessite de surmonter le grand contraste à une courte séparation angulaire, en présence de distorsions optiques de l'atmosphère terrestre et des optiques à l'intérieur de l'instrument. Elles induisent toutes deux des “speckles", qui imitent les signaux des exoplanètes. La technique d'optique adaptative vise à corriger les speckles atmosphériques, mais est aveugle à certains de ceux de l'instrument, également appelés non-common path aberrations (NCPA). J'ai développé un algorithme visant à reconnaître et corriger en continu le NCPA lors des observations du ciel nocturne. DrWHO (direct reinforcement wavefront heuristic optimization) utilise la caméra en plan focal pour auto-optimiser le système d’AO. Je l'ai validé avec des simulations, puis sur ciel, sur l'instrument SCExAO du télescope Subaru à Hawai`i, démontrant son efficacité, sa robustesse et sa flexibilité. L'imagerie directe est maintenant de plus en plus puissante pour comprendre comment les planètes se forment en observant les disques circumstellaires. Une illustration en est le système emblématique Beta Pictoris, une étoile entourée d'un disque de débris et d'au moins deux planètes géantes, clé pour comprendre les interactions et l'évolution disque-planète. J'ai analysé les premières données d'imagerie à haut contraste dans l'infrarouge moyen du système Beta Pictoris, observées avec l'instrument NEAR-VISIR sur le VLT. Bien que la planète b n'ait pas été détectée, j'ai mis des contraintes sur un possible disque circumplanétaire autour d'elle. Les données révèlent de multiples structures de disque, y compris l'amas de poussière connu sur le côté sud-ouest, observé pour la première fois en 2003. En utilisant des observations d'archives couvrant 16 ans d’observations, j'ai trouvé que son orbite était képlérienne et indiquait peut-être une planète. Pour conclure, on peut encore améliorer le développement de l'instrumentation avec DrWHO. Cela ouvre la voie à l'utilisation des informations sur le plan focal pour atteindre un contraste plus élevé, pour la prochaine génération de télescopes plus grands, et dévoiler les caractéristiques des populations d'exoplanètes.

With over 5200 exoplanets discovered, our understanding of planet formation and evolution is challenged. Studying their atmosphere and formation processes is crucial to ultimately find and characterize Earth-like planets. In this context, my PhD revolves around three aspects aimed at this purpose.I studied exoplanets’ atmosphere, with three transiting hot Jupiters (WASP-127b, WASP-79b, and WASP-62b), observed in transit with the Hubble Space Telescope in the near infrared. Their atmospheric analysis revealed significant water features and the possible presence of iron hydrate (FeH).Besides the transit method, the direct imaging technique is unique to assess the population of long-period giant planets. However, it is highly challenging and requires overcoming the large contrast at short angular separation, in the presence of optical distortions from the Earth’s atmosphere and the optics within the instrument. They both induce speckles, which mimic exoplanet signals. Adaptive optics technique aims to correct the atmospheric speckles, but is blind to some of the instrument’s ones, also called non-common path aberrations (NCPA). I developed an algorithm aimed at continuously recognizing and correcting NCPA during night-sky observations. DrWHO (direct reinforcement wavefront heuristic optimization) uses the focal plane camera to self-optimize the AO system. I validated it with simulations, then on-sky, at the SCExAO instrument at the Subaru Telescope in Hawai`i, demonstrating its efficiency, robustness, and flexibility. Direct imaging is now increasingly powerful in understanding how planets form by observing circumstellar disks. An illustration is the emblematic beta Pictoris system, a star surrounded by a debris disk and at least two giant planets, key to understanding disk-planet interactions and evolution. I analyzed the first high-contrast imaging data in the mid-infrared of the beta Pictoris system, observed with the NEAR-VISIR instrument on the VLT. Although planet b was not detected, I put constraints on a possible circumplanetary disk around it. The data reveals multiple disk structures, including the known southwest dust clump, first observed in 2003. Using archival observations covering a 16-year baseline, I found its orbit to be Keplerian, and possibly indicating a planet. To conclude, there is room for improvement on the instrumentation development with DrWHO. This is opening the road to use focal plane information to reach higher contrast, for the upcoming generation of larger telescopes, and unveil exoplanets population characteristics.