Développement de la Super Station LOFAR & observations planétaires avec LOFAR

par Julien Girard

Thèse de doctorat en Astronomie et astrophysique

Sous la direction de Philippe Zarka.

Soutenue en 2013

à Observatoire de Paris (1667-....) , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....) .

Le président du jury était Benoît Mosser.

Le jury était composé de Philippe Zarka, Huub Röttgering, Graham Woan, Frédéric Boone, Jacques Pezzani, Rodolphe Weber.

Les rapporteurs étaient Huub Röttgering, Graham Woan.

mots clés

• Radioastronomie
• Interférométrie
• Ondes kilométriques
• Jupiter (planète)

Résumé

Les développements techniques récents en radioastronomie au sol ont permis l'émergence de nombreux nouveaux projets. LOFAR (le "LOw Frequency ARay") est un interféromètre de réseaux phasés comptant parmi ces nouveaux radiotélescopes géants. Son architecture distribuée à travers l'Europe comprend plusieurs milliers d'éléments regroupés en "stations". Il permet d'étudier l'Univers dans la fenêtre radio ~20-250 MHz, inexploré avec une très haute sensibilité et de très hautes résolutions angulaire, temporelle et spectrale. La station LOFAR de Nançay a permis à la communauté française de participer aux projets scientifiques "clefs" de LOFAR. Elle a également suscité un développement instrumental original visant à augmenter significativement les performances de LOFAR aux basses fréquences (≤80 MHz) en formant un nouveau réseau géant d'antennes sensibles : la "Super Station LOFAR" (LSS). Le premier volet de cette thèse présente les études de conception et de réalisation d'un démonstration pour la LSS à trois échelles : l'antenne élémentaire, le "mini-réseau" d'une vingtaine d'antennes, et la distribution globale de 96 mini-réseaux à Nançay. Ce projet est conçu pour être totalement compatible avec le réseau LOFAR et étendre ses performances (en particulier pour les objectifs (exo)planétaires), et pour constituer un nouvel instrument sensible et autonome à Nançay. Le second volet porte sur le développement d'un mode d'imagerie planétaire avec l'interféromètre LOFAR et son application à l'étude du rayonnement synchroton des ceintures de radiation de Jupiter. Ce mode a rendu possible la formation des toutes premières images planétaires résolues dans la bande 127-172 MHz.

Titre traduit

Developement of the LOFAR Super Station & planetary observations with LOFAR

Résumé

The recent progress of ground-based radioastronomy techniques have enabled the emergence of several new projects, supported by a growing scientific community. LOFAR (the LOw Frequency ARay) is an interferometer of phased-arrays representative of this new generation of giant radiotelescopes. Its distributed architecture accross Europe consist of thousands of elements grouped in "stations". It enabled to study the Universe in the ~20-250 MHz window, unexplored with a high sensitivity and high angular, temporal and spectral resolutions. The LOFAR station in Nançay has allowed the french community to participate to the LOFAR "Key Scientific Projects". It has also motivated an original instrumental development aimed at increasing significantly the capabilities of LOFAR at low frequencies (≤ 80 MHz). This project consists of a new giant array of sensitive antennas : the LOFAR Super Station (LSS). The first part of this thesis presents design studies of the LSS as well as the realization of a demonstrator at three characteristic scales : the elementary antenna, the "mini-array" of about twenty antennas, and the global distribution of 96 such mini-arrays in Nançay. This project is designed to be both fully compatible with LOFAR and extend its performances (especially for (exo)planetary studies), and to be a new sensitive standalone radiotelescope in Nançay. The second part of the thesis is focused on the development of a planetary imaging mode of LOFAR (as an interferometer) and its application to the study of the synchrotron emission arising from Jupiter's radiation belts. This mod enabled us to obtain the very first resolved planetary images in the band 127-172 MHz.