Thèse en cours

Recherche et étude des exoplanètes en radio avec NenuFAR (et préparation de SKA)
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Auteur / Autrice : Emilie Mauduit
Direction : Philippe Zarka
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)

Résumé

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Après de nombreuses tentatives utilisant divers radiotélescopes dans le monde, les premières détections d'émissions radio exoplanétaires commencent à voir le jour [1-5] (https://www.observatoiredeparis.psl.eu/serait-ce-le-premier-signal.html). Toutes sont cependant préliminaires et restent à confirmer. Les études théoriques fournissent un riche cadre d'interprétation pour les futures détections [6,7] : accès aux champs magnétiques exoplanétaires, physique exo-magnétosphérique comparée, interactions plasma étoiles-planètes, contraintes sur la rotation planétaire, l'habitabilité… L'enjeu de détections confirmées est donc très grand. La plupart des premières détections et des études théoriques pointent vers le domaine radio basses fréquences (< 200 MHz) comme gamme spectrale privilégiés pour détecter et étudier les signaux radio exoplanétaires. NenuFAR est un nouveau radiotélescope basses fréquences (10-85 MHz) géant Français, en fin de construction à la Station de Radioastronomie de Nançay (https://nenufar.obs-nancay.fr et [8]), qui permet d'aborder la recherche et l'étude d'exoplanètes en radio via des mesures de l'intensité et la polarisation reçues en fonction du temps et de la fréquence (appelées « spectres dynamiques », en intensité et polarisation). NenuFAR est composé de 96 Mini-Réseaux (MR) de 19 antennes, synthétisant chacun une antenne orientable (x2 polarisations), + 6 MR distants, connectés à plusieurs récepteurs. En mode « réseau phasé », le système enregistre des données scientifiques à haute résolution temps-fréquence (δt ~ msec x δf ~ kHz), en polarisation complète (4 Stokes). En mode « imagerie », il enregistre les « Measurement Sets » standards des interféromètres radio, à une résolution temporelle δt ~ 1 sec. P. Zarka est responsable scientifique du projet NenuFAR et coordonne le Key Program « Early Science #2 : Exoplanets & Stars », qui conduit depuis le 1/7/2019 des observations massives (300h à 500h / semestre) sur une vingtaine de cibles, essentiellement des Jupiters chauds, que des études théoriques prédisent être des sources radio potentiellement puissantes. Ces observations sont pour l'instant conduites en mode « réseau phasé ». Chaque cible est observée par un faisceau « On » pendant plusieurs sessions de plusieurs heures, parallèlement à des faisceaux « Off » de référence (en général 3). La statistique croisée des signaux « On vs Off » et « Off vs Off » est supposée permettre de discriminer les signaux réels de parasites ou perturbations ionosphériques [1,2]. Ces observations génèrent des données brutes d'un volume de ~100 Go/heure. Ces données sont pré-réduites (élimination des parasites radio principaux – RFI, corrections spectrales et temporelles) grâce à un logiciel écrit par P. Zarka spécifiquement pour NenuFAR, sur les machines du Centre de Données de Nançay. Leur volume est ainsi réduit d'un facteur ~200, mais représente tout de même quelques dizaines de Go/mois. Les post-traitements requis restent donc assez massifs. A partir du début 2021, une partie des observations exoplanétaires de NenuFAR sera accompagnée d'observations parallèles (indépendantes et transparentes pour l'observateur principal) du programme SETI, visant à détecter des signaux artificiels à bande étroite. Les produits SETI peuvent nous permettre de raffiner l'identification et l'élimination des RFI dans le plan temps-fréquence. A partir de mi-2021, les observations exoplanétaires de NenuFAR seront en outre réalisées en mode « imagerie », et les pipelines en cours de développement produiront des spectres dynamiques « On » et « Off » à partir des visibilités interférométriques calibrées et flaggées (i.e. déparasitées), et après soustraction de la contribution des sources non-exoplanétaires connues dans le champ de vue [9]. Ces spectres dynamiques seront probablement d'une qualité supérieure aux spectres dynamiques en mode « réseau phasé », i.e. moins pollués par les RFI et les émissions indésirables. La thèse proposée vise à aboutir à des détections confirmées, puis l'étude physique, de signaux radio exoplanétaires basse fréquence avec NenuFAR, en optimisant la méthodologie d'observation et l'analyse des données temps-fréquence pré-réduites (issues des modes « réseau phasé » et « imagerie ») de toutes les manières possibles. Les pistes proposées incluent : • sélection intelligente dynamique de la gamme spectrale optimale (la moins polluée par des RFI) lors de chaque observation • optimisation de l'élimination des RFI, notamment via les produits d'observations SETI • fusion d'observations sur des gammes spectrales inhomogènes d'une observation à l'autre • optimisation des statistiques croisées On / Off • étalonnage fin en flux et en polarisation des signaux reçus • filtrage temps-fréquence des signaux indésirables, par exemple des radiosources dans les lobes secondaires (ou de réseau) • simulations des données temps-fréquence incluant la réponse instrumentale modélisée et un modèle de ciel basse fréquence • développement et/ou utilisation de divers algorithmes de détection de signaux exoplanétaires dans les données réduites : o détection de sursauts faibles [1,2], o recherche de périodicités : phase orbitale de la planète, rotation sidérale terrestre (23h56m), o empilement des spectres dynamiques en fonction de l'écart temporel au passage au méridien de la cible considérée [2], o … Tous ces travaux visent à maximiser la sensibilité effective des observations et leur capacité à détecter et reconnaître des signaux radio d'origine exoplanétaire. Des détections confirmées auront un grand impact et ouvriront la possibilité d'études physiques du signal détecté dans un cadre théorique déjà bien développé. Une partie des méthodes mises au point pourra en outre s'appliquer aux futures données du radiotélescope mondial SKA [10], dont la France devient partenaire.