Traitement d’images avancé pour la détection directe d’exoplanètes avec les imageurs haut-contraste au sol

Advanced post-processing methods for the direct detection of exoplanets with ground-based high-contrast imagers

• Auteur / Autrice : Chen Xie
• Direction : Arthur Vigan, Élodie Choquet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE
• Date : Soutenance en 2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAM - Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Beuzit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arthur Vigan, Remi Soummer, David Mouillet, Anne-Marie Lagrange, Sasha Hinkley, Hervé Le coroller, Elodie Choquet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Remi Soummer, David Mouillet

Mots clés

Mots clés libres

Exoplanètes

Haute résolution angulaire

Traitement d'image

Exoplanets

High angular resolution

Image processing

Résumé

Current high-contrast imaging techniques have limitations (i.e., self-subtraction and oversubtraction) at short angular separations (i.e., <0.3''), precisely where most exoplanets are situated. It is thus necessary to develop advanced post-processing techniques to overcome these limitations, further pushing the limit of current high-contrast imagers. The goal of this thesis is to explore the potential of reference-star differential imaging (RDI) by using all the archival data for the detection and characterization of exoplanets and disks. The RDI technique I developed for SPHERE/IRDIS lays out the very fundamental framework in this thesis, and it enabled a wide range of applications and further developments. I show that RDI is a promising imaging technique for SPHERE, which can outperform angular differential imaging (ADI) at short angular separations. To expand the application to the SPHERE/IFS data, I further developed the RDI technique to include spectral diversities in the reference library without compromising sensitivity while reducing computational demands in post-processing. The concept of using archival data as references inspire the development of a new background subtraction for IRDIS. Combining RDI with data imputation using sequential nonnegative matrix factorization (DIsNMF), I demonstrate that RDI-DIsNMF is an optimized and model-free disk imaging technique that minimizes self-subtraction and oversubtraction. RDI-DIsNMF can accurately recover the disk morphology and preserve the disk flux with a throughput approaching 100%. At last, I apply the multiple techniques I developed in this thesis on IRDIS observations of HD 100453 as an astrophysical application. By recovering the spiral features via RDI-DIsNMF, I measure the spiral motion across 4 yr to perform dynamical motion analyses. The spiral pattern motion is consistent with the orbital motion of the eccentric companion. With this first observational evidence of a companion driving a spiral arm among protoplanetary disks, we directly and dynamically confirm the long-standing theory on the origin of spiral features in protoplanetary disks.

Les techniques actuelles d'imagerie à haut contraste présentent des limites (auto-soustraction et sur-soustraction) aux faibles séparations angulaires (<0,3''), précisément là où se trouvent la plupart des exoplanètes. Il est donc nécessaire de développer des techniques de post-traitement avancées pour surmonter ces limitations, en repoussant encore plus loin les limites des imageurs à haut contraste actuels. Le but de cette thèse est d'explorer le potentiel de l'imagerie différentielle à étoile de référence (RDI) en utilisant toutes les données d'archives pour la détection et la caractérisation d'exoplanètes et de disques. La technique RDI que j'ai développée pour SPHERE/IRDIS constitue le cadre fondamental de cette thèse, et elle a permis un large éventail d'applications et de développements ultérieurs. Je montre que RDI est une technique d'imagerie prometteuse pour SPHERE, qui peut surpasser l'imagerie différentielle angulaire (ADI) aux courtes séparations angulaires. Pour étendre l'application de RDI aux données SPHERE/IFS, j'ai développé la technique RDI afin d'inclure des diversités spectrales dans la bibliothèque de référence sans compromettre la sensibilité tout en réduisant les exigences de calcul dans le post-traitement. Le concept d'utilisation de données d'archives comme références a inspiré le développement d'une nouvelle soustraction du fond de ciel pour IRDIS. En combinant RDI avec l'imputation de données par factorisation séquentielle de matrices non négatives (DIsNMF), je démontre que le RDI-DIsNMF est une technique d'imagerie de disque optimisée et sans modèle permettant de minimiser l'auto-soustraction et la sursoustraction. RDI-DIsNMF peut récupérer avec précision la morphologie d'un disque et préserver son flux avec une transmission proche de 100%. Enfin, j'applique les multiples techniques que j'ai développées dans cette thèse à des observations IRDIS de HD 100453 en tant qu'application astrophysique. En récupérant les caractéristiques d'un bras spirale via RDI-DIsNMF, je mesure son mouvement sur 4 ans pour effectuer des analyses de mouvement dynamique. Le mouvement de la spirale est cohérent avec le mouvement orbital du compagnon excentrique. Avec cette première preuve observationnelle d'un compagnon entraînant un bras spirale parmi les disques protoplanétaires, nous confirmons directement et dynamiquement la théorie de longue date sur l'origine des caractéristiques spirales dans les disques protoplanétaires.