Photométrie de haute précision pour les grands relevés cosmologiques ZTF et LSST : caractérisation des transmissions instrumentales et atmosphériques.

High-precision photometry in the era of ZTF and LSST cosmological surveys : characterization of instrumental and atmospheric transmissions.

• Auteur / Autrice : Kélian Sommer
• Direction : Bertrand Plez, Eric Nuss
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 29/11/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LUPM - Laboratoire Univers et Particules Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Dagoret-campagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Plez, Piera Luisa Ghia, Julien Morin, Pierre Astier, Philippe Gris
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Astier, Philippe Gris

Mots clés

Mots clés libres

Instrumentation

Cosmologie

Lsst

Calibration

Supernovae

Ztf

Instrumentation

Cosmology

Lsst

Calibration

Supernovae

Ztf

Résumé

Les supernovae de type 1a (SNe Ia) sont des sondes cosmologiques essentielles pour étudier l'Univers récent et approfondir notre compréhension de l'énergie noire. Leur luminosité régulière, combinée aux observations réalisées par les grands relevés photométriques terrestres multi-bandes, permet d'estimer leurs distances et de contraindre les paramètres cosmologiques. Toutefois, pour les relevés actuels et futurs comme le textit{Zwicky Transient Facility} (ZTF) et le textit{Legacy Survey of Space and Time} (LSST), les incertitudes de calibration photométrique surpasseront les incertitudes statistiques dans les analyses cosmologiques basées sur les SNe Ia, ce qui limitera la précision des résultats cosmologiques. Pour atteindre les objectifs fixés par la collaboration textit{Dark Energy Science Collaboration} du relevé textit{LSST}, il est donc nécessaire d'améliorer la précision de la calibration des flux photométriques d'un ordre de grandeur, jusqu'à 0.1%. Pour obtenir des rapports de distance précis entre les observations de SNe Ia à différents textit{redshifts}, une calibration rigoureuse des couleurs est essentielle, car toute erreur dans la réponse chromatique des instruments peut fausser notre compréhension de l'expansion de l'univers. Par conséquent, une connaissance précise de la transmission totale, incluant les effets instrumentaux et atmosphériques à chaque époque du relevé, est indispensable pour atteindre le niveau de précision requis. Les travaux menés au cours de cette thèse se concentrent sur le développement de nouvelles méthodes pour améliorer la caractérisation de ces deux fonctions de transmission, formant ainsi deux axes de recherche complémentaires intégrés au projet de métrologie StarDICE qui vise à relever le défi de la calibration photométrique en utilisant des sources lumineuses calibrées en laboratoire pour étendre la calibration absolue à un catalogue d'étoiles standards, observées par les télescopes terrestres participant à des relevés cosmologiques. Le premier axe de travail concerne la conception d'une version transportable du textit{Collimated Beam Projector}, un instrument de laboratoire destiné à déterminer avec précision les réponses spectrales des télescopes effectuant des relevés photométriques au sol. J'ai contribué à la mise au point d'un prototype sur banc expérimental, démontrant qu'il est possible d'atteindre une précision de l'ordre d'une millimagnitude sur l'intégrale des fonctions de transmission instrumentales des filtres textit{g} et textit{r} du système photométrique de ZTF. Le second axe repose sur l'exploration d'une méthode inédite de détermination de l'extinction grise atmosphérique par des mesures radiométriques fournies par une caméra infrarouge thermique. Déployée avec succès à l'Observatoire de Haute-Provence, cette approche s'avère prometteuse pour qualifier la structure spatiale de l'extinction grise lors de conditions d'observation variables et corriger les mesures photométriques avec une précision supérieures aux méthodes déjà existantes. Ces deux efforts ont montré des résultats encourageants pour les développements futurs, tant pour la mesure de la réponse instrumentale du télescope du relevé ZTF que pour la caractérisation de l'extinction atmosphérique grise du relevé LSST qui mènera sa campagne d'observation même en conditions atmosphériques suboptimales.

Type Ia supernovae (SNe Ia) are crucial cosmological probes for studying the recent Universe and deepening our understanding of dark energy. Their consistent luminosity, combined with observations from large ground-based multi-band photometric surveys, allows for distance estimation and the constraining of cosmological parameters. However, for current and future surveys such as the textit{Zwicky Transient Facility} (ZTF) and the textit{Legacy Survey of Space and Time} (LSST), photometric calibration uncertainties will surpass statistical uncertainties in cosmological analyses based on SNe Ia, limiting the precision of model inferences. To meet the goals set by the textit{Dark Energy Science Collaboration} of the textit{LSST} survey, improving photometric flux calibration accuracy by an order of magnitude, down to 0.1%, is essential. As the universe expands, the colors of SNe Ia shift toward the red: high-redshift SNe Ia are observed in the red bands of telescopes, while low-redshift ones are seen in bluer bands. Precise color calibration is crucial for obtaining accurate distance ratios between these observations, as any error in the instrumental chromatic response can distort our understanding of the universe's expansion. Consequently, a precise understanding of total transmission, including instrumental and atmospheric effects at each epoch of the survey, is necessary to achieve the required level of precision. This thesis focuses on developing new methods to improve the characterization of these two transmission functions, forming two complementary research axes within the StarDICE metrology project. StarDICE aims to address the challenge of photometric calibration by using laboratory-calibrated light sources to extend absolute calibration to a catalog of standard stars observed by ground-based telescopes engaged in cosmological surveys. The first research axis involves the design of a transportable version of the textit{Collimated Beam Projector}, a laboratory instrument designed to precisely determine the spectral responses of ground-based survey telescopes. I contributed to the development of a prototype on an experimental bench, demonstrating that a precision of the order of a millimagnitude can be achieved on the integral of the instrumental transmission functions for the textit{g} and textit{r} filters of the ZTF photometric system. The second axis explores a novel method for determining atmospheric gray extinction through radiometric measurements provided by a thermal infrared camera. Successfully deployed at the Haute-Provence Observatory, this approach is promising for qualifying the spatial structure of grey extinction under variable observation conditions, and for correcting photometric measurements more accurately than existing methods. These two approaches have shown promising results for future developments, both in measuring the instrumental response of the ZTF survey telescope and in characterizing atmospheric conditions for the LSST survey, where optimizing observation time will require data collection even under suboptimal conditions.