Profil de mission pour un observatoire interférométrique radio interférométrique en orbite lunaire constitué d'un essaim de nanosatellites

Mission profile for a space based radio interferometer in lunar orbit constituted of a swarm of nanosatellites

• Auteur / Autrice : Erwan Rouillé
• Direction : Baptiste Cecconi, Boris Segret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 06/11/2025
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’instrumentation et de recherche en astrophysique (Meudon ; 2025-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Coralie Laurence Neiner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Baptiste Cecconi, Boris Segret, Benjamin Grison, Mathieu Barthelemy, Angélica Sicard, Angélique Rissons, Daniel Santos Costa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Grison, Mathieu Barthelemy
• DOI : 10.70675/9a295b7az49aez4a78za6daz93a9ead07a37

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie

Radioastronomie

Nanosatellites

Astronomie -- Instruments

Simulation

Mots clés libres

Instrumentation Spatiale

Radioastronomie

Interférométrie

Emissions Radio Planétaires

Nanosatellites

Simulation

Space Instrumentation

Radioastronomy

Interferometry

Planetary Radio Emlssions

Nanosatellites

Simulation

Résumé

Le ciel radio à très basse fréquence (<10 MHz) demeure largement inexploré. Pourtant, de nombreuses sources et phénomènes astrophysiques sont susceptibles d’émettre dans cette gamme du spectre électromagnétique, notamment les émissions radio planétaires et les sursauts radio solaires. Comme cette portion du spectre n’a jamais été observée avec de la résolution spatiale, il est probable qu’elle dissimule encore des objets ou processus physiques inconnus. Cette lacune d’observation s’explique principalement par l’ionosphère terrestre, qui agit comme un miroir pour ces ondes et empêche toute détection depuis le sol. Par ailleurs, la réalisation d’observations résolues à ces fréquences implique un instrument dont la taille dépasserait plusieurs kilomètres, de taille comparable aux longueurs d’onde considérées, et donc nécessairement déployé dans l’espace. Ce type d'instrument peut être synthétisé par interférométrie, à partir de multiples points de mesure distribués spatialement. Ainsi, pour explorer cette fenêtre spectrale, il est envisagé d'utiliser un interféromètre spatial, déployé sur la Lune ou en orbite lunaire. Dans ce contexte, le concept instrumental NOIRE (Nanosatellites pour un Observatoire Interférométrique Radio dans l’Espace), porté par l’Observatoire de Paris, propose de mettre en orbite lunaire un essaim de 50 nanosatellites. Une première étude de faisabilité a été conduite en 2018, mais plusieurs points critiques doivent encore être précisés afin de formuler les exigences système nécessaires pour enclencher le développement de l'instrument. Cette thèse explore notamment les stratégies d’observation permettant de détecter les émissions radio planétaires, dans le but de définir un profil de mission réaliste pour NOIRE ou une mission équivalente. Nous montrons qu’un tel concept pourrait apporter une contribution scientifique significative pour ce domaine d’étude. Dans ce cadre, nous avons précisé la sensibilité de la mesure en mode beamforming non polarisé, et développé un simulateur instrumental permettant de tester diverses stratégies d’observation. Nous nous sommes également intéressés aux besoins liés aux fonctions de la plateforme instrumentale. En particulier, nous avons identifié et étudié une méthode autonome de détermination de l’attitude absolue de l’essaim. Les résultats de cette étude restent à solidifier mais suggèrent que cette méthode pourra garantir que l’instrument est en capacité de déterminer son attitude avec suffisamment de précision de façon autonome. Nous avons, par ailleurs, identifié des besoins nécessaires au bon développement de ces instruments comme le besoin d'un modèle de ciel robuste permettant de mieux caractériser les performances instrumentales, mais aussi le besoin d'une mission de démonstration pour vérifier les performances des fonctions plateforme d'un essaim et la capacité à effectuer des mesures interférométriques. De plus, nous proposons des méthodes pour établir un modèle de ciel et proposons une esquisse de mission de démonstration. Enfin, à partir des exigences scientifiques en matière d'observation, nous avons dérivé certaines des principales exigences systèmes ce qui permet d'orienter la définition de l'instrument et des satellites. Pour finir, nous discutons la feuille de route des interféromètres radio basses fréquences dans l'espace.

The very low-frequency radio sky (<10 MHz) remains largely unexplored. Yet, numerous sources and phenomena are expected to emit in this part of the electromagnetic spectrum, including planetary radio emissions and solar radio bursts. Since this frequency range has never been observed with spatial resolution, it is likely to conceal unknown sources or physical processes. The main reason for this observational gap lies in the Earth's ionosphere, which acts as a reflective barrier at these frequencies, preventing ground-based observations. Moreover, spatially resolved observations at such wavelengths require an instrument several kilometers in size - comparable to or larger than the observed wavelength - and therefore must be deployed in space. Such a system can be synthesized via radio interferometry using multiple spatially distributed measurement points. Consequently, the use of a space-based radio interferometer - either deployed on the Moon or in lunar orbit - has been proposed to observe this spectral window. In this context, the NOIRE (Nanosatellites for a Radio Interferometer in Space) instrument concept, led by the Observatoire de Paris, proposes the deployment of a swarm of nanosatellites in lunar orbit. While an initial platform study was conducted in 2018, several critical aspects remain to be addressed to define system-level requirements and initiate satellite development. This thesis investigates observation strategies for detecting planetary radio emissions, with the goal of defining the mission profile for NOIRE or a similar mission. We show that a concept like NOIRE could provide substantial scientific value in this field. As part of this study, we characterize the measurement sensitivity in non-polarized beamforming mode and develop a simulation framework to evaluate observation strategies. We also examine the platform-level functional requirements of the instrument. In particular, we propose and evaluate an autonomous method for absolute swarm attitude determination. While further validation is needed, initial results suggest that this method could ensure autonomous attitude knowledge with sufficient precision. In addition, we identify key needs for the successful development of such instruments, including the requirement for a robust low-frequency sky model to assess instrument performance and the necessity of a demonstration mission to validate key platform functions and the ability to perform coherent measurements. We propose methods for building such a sky model and outline a possible demonstrator mission concept. Finally, based on the derived scientific observation requirements, we formulate several system-level constraints, which contribute to shaping the overall instrument and satellite design. The thesis concludes with a discussion of a possible development roadmap for future low-frequency radio interferometers in space.