Extraction photométrique bord des étoiles de la mission PLATO : masques photométriques optimaux pour la détection de planètes extra-solaires

In-flight photometry extraction of PLATO targets : optimal apertures for detecting extra-solar planets

• Auteur / Autrice : Victor Marchiori
• Direction : Réza David Samadi, Fabio de Oliveira Fialho
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 16/09/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE) en cotutelle avec Universidade de São Paulo (Brésil)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....) - Laboratoire d'Etudes spatiales et d'instrumentation en astrophysique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Christine Angonin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Réza David Samadi, Fabio de Oliveira Fialho, Magali Deleuil, Suzanne Aigrain, Eduardo Janot-Pacheco, Frédéric Baudin, Alexandre Santerne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Deleuil, Suzanne Aigrain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exoplanètes

Analyse numérique

Lumière zodiacale

Photométrie

Mots clés libres

Techniques: photométriques

Lumière zodiacale

Méthodes: numériques

Planètes et satellites: détection

Zodiacal light

Planets and satelittes: detection

Methods: numerical

Astronomical databases: Gaia DR2

Zodiacal light

Résumé

PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) est une mission scientifique spatiale européenne dédiée à la sismologie stellaire et à la recherche d’exoplanètes, et dont le développement est coordonné par l’Agence Spatiale Européenne. Avec un intérêt majeur sur des planètes du type terrestre située dans la zone habitable des étoiles du type solaire de la séquence principale, cette mission repose sur de la photométrie de très haute précision et exige une très grande stabilité des mesures. Elle s’appuie sur des techniques bien éprouvées : la méthode de transits pour la détection des planètes, suivie de mesures de vitesses radiales réalisées au sol, et l'analyse des oscillations stellaires pour la caractérisation des leurs étoiles hôtes. Grace à son très large champ de vue couvrant plus de deux mille dégrées carrés du ciel, l’instrument PLATO sera capable d’observer plusieurs centaines de milliers d’étoiles de magnitude apparente inférieure à treize dans le visible, et de détecter des milliers de systèmes planétaires. Par ailleurs, en raison des contraintes télémétriques du satellite, l’extraction photométrique de la majorité des étoiles devra être effectuée à bord en s’appuyant sur des méthodes optimisées. Pour autant, la méthode d’extraction photométriques par masques a été adoptée pour sa faisabilité compte-tenu des contraintes à bord. Dans ce contexte, la problématique de développement des masques photométriques optimaux représente le cœur du travail de recherche présenté dans cette thèse. Dans les missions précédentes de la même catégorie de PLATO, à savoir CoRoT, Kepler et TESS, des masques photométriques ont été conçus selon une approche reposant uniquement sur la minimisation du rapport bruit sur signal, car la sensibilité à laquelle un transit planétaire peut être identifié, dans une courbe de lumière, est fortement corrélée à son niveau de bruit. En revanche, plus il est facile d'identifier une planète, en raison d'un niveau de bruit suffisamment faible, plus élevée est la probabilité que des objets en arrière-plan entrant dans la scène (par exemple des systèmes binaires reproduisant des vrais transits planétaires) soient détectés. Étant donné que la plupart des étoiles-cible de PLATO n’auront pas des images au sol pour l’identification des faux positifs, une conception de masques photométriques reposant uniquement sur la sensibilité de détection des vrais transits planétaires, sans faire suffisamment attention aux potentiels faux positifs, n’est donc pas forcément la meilleure stratégie. Pour vérifier cette hypothèse, deux métriques scientifiques ont été introduites nous permettant de quantifier directement la sensibilité d'un masque à la détection des vrais, d’une part, et de faux transits planétaires, d’autre part. Ainsi, le masque optimal a été défini comme étant celui qui donne le meilleur compromis entre ces deux métriques. Cette approche, originale à cette thèse, s’est avérée décisive pour la détermination d’un modèle de masque statistiquement capable de détecter des planètes de façon quasi-optimale, tout en étant substantiellement moins sensible aux faux positifs. Globalement, ces travaux constituent une étape importante dans la conception des chaînes de traitement des données bord et sol de la mission PLATO, ainsi que pour ses algorithmes de détection et de caractérisation des transits planétaires.

PLAnetary Transits and Oscillations of stars (PLATO) is a European spatial scientific mission dedicated to asteroseismology and searching for exoplanets, and whose development is being carried out by the European Space Agency. With focus on Earth-like planets orbiting the habitable zone of main-sequence Sun-like stars, the mission relies on very high precision photometry and requires great stability of measurements. The mission is founded upon well-proven techniques: the transit method for detecting exoplanets, along with radial velocity follow-up from the ground, and the analysis of stellar oscillations for characterizing their host stars. Thanks to its very large field of view encompassing more than two thousand square degrees of the sky, the PLATO instrument will be able to observe several hundreds of thousands of stars with apparent magnitude lower than thirteen in the visible band, and thousands of planetary systems. In contrast, because of satellite telemetry constraints, photometry will have to be extracted in flight for most of the PLATO targets. For that, mask-based (aperture) photometry was adopted because of its sufficiently high performance and relatively low complexity for implementing on board. In this context, the development of optimal photometric apertures represents the core of the research work presented in this thesis. In the previous missions of the same category of PLATO (i.e. CoRoT, Kepler and TESS), photometric apertures were designed following an approach based uniquely on the minimization of the noise-to-signal ratio, because the sensitivity at which a planet transit can be found in a light curve is strongly correlated to its noise level. On the other hand, the higher the ease in identifying a transit-like signal because of a sufficiently low noise level, the higher the probability that background objects in the scene (e.g. binary systems reproducing legitimate planet transits) are detected. Since most of the PLATO targets will not have images available on ground for the identification of false positives, conceiving photometric masks based solely on how well a transit-like signal can be detected, paying no attention to potential false positives may not be the best strategy. To verify the consistence of this hypothesis, two science metrics were introduced allowing one to directly quantify the sensitivity of an aperture in detecting true and false planet transits. Then, the optimal aperture was defined as that which gives the best compromise between these two metrics. Such an approach, novel to this thesis, has been proven to be decisive for the determination of a mask model capable to provide near maximum planet yield and substantially reduced occurrence of false positives. Overall, this work constitutes an important step in the design of both on-board and on-ground science data processing pipelines of the PLATO mission.