StarDICE : Calibration au pour mil d'une nouvelle génération de télescopes pour la mesure de l'énergie noire

StarDICE : Calibration at per mil of a new generation of telescopes for the study of dark energy

• Auteur / Autrice : Thierry Souverin
• Direction : Pierre Antilogus
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de l'Univers
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 25/09/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique Nucléaire et des Hautes Energies
• Jury : Président / Présidente : Pascal Vincent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Antilogus, Susana Deustua, Philippe Rosnet, Jérémy Neveu, Céline Combet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Susana Deustua, Philippe Rosnet

Mots clés

Mots clés libres

Énergie noire

Instrumentation

Atmosphère

Calibration

Dark energy

Instrumentation

Atmosphere

Calibration

Résumé

Tout d'abord, cette thèse présente la cosmologie moderne, de l'équation d'Einstein aux premières mesures de l'accélération de l'expansion de l'Univers. Cette accélération, attribuée à l'« énergie noire », peut être mesurée à l'aide de différentes sondes. Cette section présente les différentes sondes cosmologiques, notamment les supernovae de type Ia (SNe Ia), le fond diffus cosmologique (CMB) et les oscillations acoustiques de baryons (BAO), et discute des méthodes permettant de contraindre les paramètres de l'équation d'état de l'énergie noire. Dans la deuxième section, je détaille les mécanismes à l'origine des SNe Ia et leurs propriétés. Les courbes de lumière des SNe Ia, qui représentent leur flux de luminosité au cours du temps, peuvent être standardisées à l'aide de divers paramètres observationnels. En mesurant leur distance par rapport à leur redshift, les SNe Ia servent de “chandelles standard”, permettant de retracer l'histoire de l'expansion de l'Univers. La troisième section couvre les outils d'observation utilisés pour mesurer les propriétés des SNe Ia, présentant le fonctionnement des télescopes et des caméras CCD qui collectent la lumière. Je passe ensuite en revue les relevés de supernovae passés, présents et futurs, en soulignant les améliorations apportées au fil du temps. La quatrième section aborde les défis de la calibration photométrique des relevés de SNe Ia et son impact sur les mesures cosmologiques. J'appuie sur l'importance d'atteindre une calibration photométrique inférieure au pour mil, une étape cruciale pour atteindre de nouveaux niveaux de précision en cosmologie. Je présente ensuite l'expérience StarDICE, qui vise à affiner la calibration CALSPEC au pour mil en créant une étoile artificielle dont le flux est calibré en laboratoire, à l'aide d'une photodiode NIST. L'instrument optique StarDICE est un télescope newtonien avec un miroir primaire de 40 cm, une longueur focale de 1,60 m et une caméra CCD de 1 MPixel. Nous avons calibré la réponse de ce télescope ainsi que la transmission de ses filtres à l'aide d'un Collimated Beam Projector (CBP). Le CBP est équipé d'une source de lumière monochromatique et d'un dispositif optique conçu pour mesurer la réponse d'un télescope. Les sections cinq et six se concentrent sur la calibration instrumentale de StarDICE, démontrant comment nous avons atteint une calibration photométrique de l'ordre du pour mil, avec une résolution en longueur d'onde précise de quelques angströms. Le télescope StarDICE, actuellement en campagne d'observations à l'Observatoire de Haute-Provence en France, collecte des images avec ses filtres “ugrizy” et son réseau de diffraction pour l'acquisition de données spectrophotométriques sans fente. La librairie python Spectractor est utilisée pour extraire les spectres dispersés sur le plan focal et effectuer la spectrophotométrie. Le télescope suit la cible tout au long de la nuit, permettant d'effectuer une régression en airmass, afin de mesurer la contribution de la transmission atmosphérique. L'étude s'étend sur plusieurs dizaines de nuits, avec environ 10 000 observations par nuit. Les sections sept et huit présentent l'analyse photométrique effectuée des images “ugrizy” et l'analyse spectrophotométrique sur les spectres obtenus avec le réseau de diffraction. L'analyse spectrophotométrique vise à mesurer la contribution de l'atmosphère dans l'analyse des données, tandis que l'analyse photométrique vise à affiner la calibration CALSPEC. En résumé, ces mesures nous permettent de simuler le flux attendu pour une étoile CALSPEC, observée au travers d'une atmosphère mesurée, par un filtre StarDICE donné, calibré avec le CBP et l'étoile artificielle. En comparant les données observées au spectre CALSPEC théorique, nous pouvons mesurer les écarts et affiner la calibration. La calibration au niveau de la milli-magnitude des différentes étapes de l'expérience, devrait finalement permettre d'affiner la calibration CALSPEC au pour mil.

First, this thesis introduces modern cosmology, from the Einstein equation to the first measurements of the acceleration of the Universe's expansion. This acceleration, attributed to ''dark energy,'' can be measured using various probes. This section presents the different cosmological probes, including type Ia supernovae (SNe Ia), the Cosmic Microwave Background (CMB), and Baryon Acoustic Oscillations (BAO), and discusses methods for constraining dark energy equation of state parameters. In the second section, I detail the mechanisms behind SNe Ia and their properties. The light curves of SNe Ia, which represent their luminosity flux over time, can be standardized using various observational parameters. By measuring their distance against redshift, SNe Ia serve as standard candles, enabling the measurement of the history of the Universe's expansion. The third section covers the observational tools used to measure SNe Ia properties, explaining the functioning of telescopes and CCD cameras that collect photons. I review past, present, and future SNe Ia surveys, highlighting the improvements over time. The fourth section addresses the challenges of photometric calibration of SNe Ia surveys and its impact on cosmological measurements. I emphasize the importance of achieving photometric calibration below the per mil level, which is crucial for attaining a new level of precision in cosmology. I then introduce the StarDICE experiment, which aims to refine the CALSPEC calibration to the per mil level by creating an artificial star with flux calibrated in the laboratory using a NIST photodiode. The StarDICE optical instrument is a Newtonian telescope with a 40 cm primary mirror, a focal length of 1.60 m, and a 1 MPixel CCD camera. We calibrated its throughput and filter transmissions using a Collimated Beam Projector (CBP). The CBP is equipped with a monochromatic light source and an optical device designed to measure telescope throughputs. Sections five and six focus on the StarDICE instrumental calibration, demonstrating how we can achieve sub-percent calibration with accurate wavelength resolution of a few Angstroms. The StarDICE telescope, currently operating at l'Observatoire de Haute-Provence in France, is collecting images with its “ugrizy” filters and its diffraction grating for acquiring slitless spectrophotometric data. The Spectractor python library is used to extract spectra dispersed on the focal plane and perform spectrophotometry. We track the target throughout the night to perform an airmass regression, distinguishing the atmospheric transmission contribution from the star flux. The survey is also coupled with an infrared camera that monitors gray extinction due to clouds. The survey spans several tens of nights, with approximately 10,000 observations each night. Sections seven and eight present the photometric analysis conducted on the “ugrizy” images and the spectrophotometric analysis on the grating images. The spectrophotometric is aiming at measuring the atmosphere contribution in our data analysis, while the photometric analysis aim at refining the CALSPEC calibration. To summarize, these measurements allow us to simulate the expected flux for a star based on the CALSPEC spectrum, atmospheric transmission, and the telescope's throughput at a given filter, calibrated with the CBP and the artificial star. By comparing the observed data to the theoretical CALSPEC spectrum, we can measure the deviations, and refine the calibration. The millimagnitude-level calibration of each step in the experiment enables us to achieve sub-percent photometric calibration of the CALSPEC spectra, which is crucial for reaching new levels of precision in cosmology.