Caractérisation des disques de débris par imagerie directe et haute résolution angulaire : les performances de NaCo et SPHERE

par Julien Milli

Thèse de doctorat en Astrophysique et milieux dilués

Sous la direction de David Mouillet et de Dimitri Mawet.

Le président du jury était Jean-Louis Monin.

Le jury était composé de Olivier Absil, Anne-Marie Lagrange.

Les rapporteurs étaient Damien Ségransan, Alain Lecavelier Des Etangs.


  • Résumé

    Les vingt-cinq dernières années ont connu une véritable révolution dans notre connaissance des systèmes planétaires avec plus de 1800 planètes extrasolaires connues à ce jour. L'étude observationnelle des disques de débris constitue l'approche proposée dans ce travail de thèse pour éclairer les processus de formation et d'évolution des systèmes planétaires. Ces disques circumstellaires sont constitués de particules de poussière générées par des collisions de petits corps appelés planétésimaux, en orbite autour d'une étoile de la séquence principale. La lumière stellaire qu'elles diffusent représente une observable particulièrement riche en informations sur l'architecture du système, mais difficile d'accès en raison du contraste élevé et de la faible séparation angulaire avec leur étoile. Le développement récent de nouveaux instruments à haut contraste équipés d'optique adaptative extrême représente un formidable potentiel pour l'étude de ces systèmes. Cette thèse se place dans le cadre de ces nouveaux développements et porte sur la caractérisation des disques de débris grâce à deux instruments qui équipent le VLT (Very Large Telescope) : NaCo et SPHERE (Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet REsearch). NaCo est en opération depuis plus de 10 ans et a connu plusieurs améliorations successives. SPHERE a été conçu et développé dans la même période, testé intensivement en laboratoire en 2013 et est actuellement en cours de vérification opérationnelle sur le télescope. Le caractère novateur de ce travail consiste à associer à l'étude des propriétés physiques des disques de débris, une expertise instrumentale poussée pour tirer le meilleur profit des observations. La première partie vise à développer et caractériser des méthodes de réduction de données innovantes adaptées aux observations de disques en lumière diffusée et au comportement de l'instrument. En particulier les atouts, performances et biais des techniques d'imagerie différentielle angulaire, polarimétrique et de soustraction de référence sont quantifiés. Ces méthodes sont appliquées, dans une seconde partie, à l'étude et la caractérisation de deux prototypes de disques de débris entourant les étoiles beta Pictoris et HR 4796A. Elles permettent une analyse poussée de la morphologie de ces disques et révèlent de nouvelles asymétries, interprétées en terme de perturbateurs gravitationnels ou de propriétés de diffusion de la lumière par la poussière. Enfin une évaluation prospective des performances attendues et observées avec l'instrument SPHERE est détaillée dans la dernière section, basée sur des simulations et des mesures en laboratoire ou sur le ciel. Une comparaison avec NaCo révèle les points forts de SPHERE avant de conclure sur les questions scientifiques auxquelles les observations de disques de débris avec SPHERE pourront apporter des réponses.

  • Titre traduit

    Characterisation of debris discs in direct imaging and high angular resoltion : the performance of NaCo and SPHERE


  • Résumé

    Over the last two and a half decades, the discovery of more than 1800 exoplanets has been a major breakthrough in our understanding of planetary systems. To shed light on the formation and evolution processes of such systems, I have chosen an observational approach based on the study of debris discs. These circumstellar discs are composed of dust particles constantly generated by collisions of small rocky bodies called planetesimals, orbiting a main-sequence star. The stellar light they scatter can be studied from the Earth and reveal a wealth of information on the architecture of the system. These observations are challenging because of the high contrast and the small angular separation between the disc and the star. The recent developments of new high-contrast instruments with extreme adaptive optic systems are therefore bringing new expectations for the study of these systems and set the framework of this PhD thesis. My work aims at characterising debris discs thanks to two instruments installed on the Very Large Telescope: NaCo and SPHERE (Spectro Polarimetric High contrast Exoplanet REsearch). NaCo has been in operation for more than a decade and has undergone many improvements. SPHERE has been designed and assembled in the same period, was intensively tested in laboratory in 2013, and is currently being commissioned on the telescope. The innovative approach of this PhD work is to combine the study of debris discs with strong instrumental expertise to get the best science results from the observations. The first part of the study aims at developing innovative data reduction techniques adapted to the observations of discs in scattered light and to the behaviour of the instrument. I quantify in particular the performances, advantages, and biases of the angular, polarimetric and reference-star differential imaging technique. In a next step, I apply those techniques to characterise two prototypes of debris discs, around the stars beta Pictoris and HR 4796A. A detailed analysis of the morphology is carried out, which reveals new asymmetries interpreted in terms of gravitational perturbers or of dust scattering properties. Lastly, I detail the expected and measured performances of SPHERE, from simulations, laboratory and on-sky measurements. A comparison with NaCo reveals the assets of SPHERE and I conclude with the scientific questions SPHERE will be able to answer with new debris disc observations.


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