Comparaison des techniques d'analyse de surface d'onde en plan focal dédiées aux missions spatiales d'imagerie directe et de spectroscopie des planètes extrasolaires

par Axel Potier

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Anthony Boccaletti et de Pierre Baudoz.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique (Paris) (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement de préparation de la thèse) depuis le 30-09-2017 .


  • Résumé

    Comprendre la formation, l'évolution et la surprenante diversité des planètes extrasolaires est un des grands enjeux de l'astrophysique moderne. En deux décennies, de nombreuses découvertes ont déjà révélé la nature complexe de ces objets. Pourtant, on connait peu de choses sur l'atmosphère de ces planètes alors qu'il s'agit d'un point crucial pour comprendre l'évolution des planètes ainsi que les conditions d'apparition de la vie ailleurs que sur la Terre. L'imagerie directe est une technique appropriée à l'étude spectrale des atmosphères des planètes similaires à celles du Système Solaire. Cependant ces observations sont rendues difficiles par le très grand contraste et la proximité entre planètes et étoiles et l'utilisation de techniques d'imagerie à très haute dynamique (ITHD) est indispensable. Ces techniques d'ITHD s'appuient sur des coronographes qui permettent de rejeter la lumière de l'étoile sans modifier la lumière des exoplanètes qui gravitent autour de cette étoile. Ces coronographes sont très sensibles aux aberrations de phase et d'amplitude. L'utilisation de techniques de corrections actives du front d'onde est donc indispensable pour compenser les aberrations introduites par la qualité du polissage, les erreurs d'alignement, les dilatations thermiques... Ces techniques actives de correction du front d'onde sont utilisées de manière routinière sur les grands télescopes au sol. Mais les fortes limitations introduites par l'atmosphère, même après correction par une optique adaptative, font des projets spatiaux les solutions les plus efficaces pour caractériser les exoplanètes les plus faibles (planètes rocheuses, géantes froides). Une étude pour des instruments spatiaux a été menée par le Jet Propulsion Laboratory et un niveau de maturité de TRL 5 a été atteint pour la majorité des sous-systèmes. Un point critique pour la correction du front d'onde est la mise en place d'une mesure sans biais des aberrations en amont du coronographe. Différentes techniques ont été proposées pour cette mesure : Self-Coherent Camera (SCC, Mazoyer et al. 2014, Delorme et al. 2016), Electric Field Conjugation (EFC, Bordé&Traub 2006, Give'on et al. 2007), COFFEE (Paul et al. 2013), ZELDA (N'Diaye et al. 2013). Aujourd'hui, seules les techniques EFC et SCC ont été testées en laboratoire à des niveaux de contrastes suffisants (10^8-10^9) pour la recherches d'exoplanètes de faibles masses. Leur mise en œuvre n'ayant pas été faite sur le même banc de test, il est difficile de comparer les résultats de chaque technique. L'objectif de la thèse est de mettre en place une comparaison des performances de ces différentes techniques sur un même banc de test en laboratoire, optimisé pour le très haut contraste, afin de mettre en évidence les avantages et inconvénients des différentes méthodes dans un cas concret intégrant les défauts de la caméra, des miroirs déformables, des coronographes, etc…

  • Titre traduit

    Comparison of focal plane wavefront sensing technics dedicated to space missions for the direct imaging and spectroscopy of exoplanets


  • Résumé

    Understanding the formation, evolution and surprising diversity of extrasolar planets is one of the major challenges of modern astrophysics. In two decades, many discoveries have already revealed the complex nature of these objects. However, little is known about the atmosphere of these planets when it is a crucial point to understand the evolution of the planets as well as the conditions of appearance of life other than on the Earth. Direct imaging is a technique suitable for the spectral study of planetary atmospheres similar to those of the Solar System. However, these observations are made difficult by the very large contrast and proximity between planets and stars, so the use of very high dynamic imaging techniques (ITHD) is essential. These techniques of ITHD rely on coronographs which allow to reject the light of the star without modifying the light of the exoplanets orbiting around this star. These coronographs are very sensitive to phase and amplitude aberrations. The use of techniques of active corrections of the wavefront is therefore mandatory to compensate the aberrations introduced by the polishing defects, misalignments, thermal expansions ... These active techniques of correction of the wavefront are used routinely on large ground-based telescopes. But the strong limitations introduced by the atmosphere, even after correction by an adaptive optics, make space projects the most effective solutions to characterize the faintest exoplanets (rocky planets, cold giants). A study for space instruments was conducted by the Jet Propulsion Laboratory and a maturity level of TRL 5 was achieved for the majority of the subsystems. A critical point for correcting the wavefront is the implementation of an unbiased measurement of the aberrations upstream of the coronograph. Different techniques have been proposed for this measurement: Self-Coherent Camera (SCC, Mazoyer et al. 2014, Delorme et al., 2016), Electric Field Conjugation (EFC, Bordé & Traub 2006, Give'on et al. Et al., 2013), ZELDA (N'Diaye et al., 2013). Today, only EFC and SCC techniques have been tested in laboratories at sufficient contrast levels (10^8-10^9) for the search of low-mass exoplanets. Since their implementation was not carried out on the same test bench, it is difficult to compare the results of each technique. The objective of the thesis is to set up a comparison of the performance of these different techniques on the same laboratory test bench, optimized for the very high contrast, in order to highlight the advantages and disadvantages of the different methods in a realistic case integrating the defects of the camera, deformable mirrors, coronographs, etc ...