Titre de la thèse
Coupler optique adaptative extrême et techniques de minimisation des tavelures dans le plan focal : application à l’instrument SPHERE+/VLT.
Composition du jury
- Jean-Pierre Véran (University of Victoria) - Rapporteur
- Julien Girard (STScI) - Rapporteur
- Sonia Fornasier (LIRA, Université Paris Cité) - Examinatrice
- Arielle Bertrou-Cantou (GMTO) - Examinatrice
- Norbert Hubin (ESO) - Examinateur
- Raphaël Galicher (LIRA, Université Paris-Cité) - Examinateur, directeur de thèse
- Fabrice Vidal (LIRA, CNRS) - Membre invité, co-encadrant
Résumé
Détecter directement la lumière d’une exoplanète permet la caractérisation spectroscopique de son atmosphère ou de sa surface. Mais faire l’image d’une exoplanète est un défi instrumental pour deux raisons. La planète est très proche de son étoile hôte sur la voûte céleste, à moins d’une seconde d’angle et l’étoile est beaucoup plus brillante que la planète, d’un facteur dix mille pour les planètes les plus lumineuses à dix milliards pour une exo-Terre. Les astronomes utilisent un coronographe, un composant optique bloquant la lumière de l’étoile mais laissant passer la lumière de la planète jusqu’au détecteur. Pour fonctionner optimalement, un coronographe requiert une surface d’onde incidente plane, autrement dit sans aberrations, ce qui n’est pas le cas des télescopes terrestres qui observent à travers la turbulence atmosphérique. C’est pourquoi les imageurs d’exoplanètes au sol sont équipés d’une optique adaptative (OA) en amont du coronographe. Le but est de corriger les aberrations introduites par l’atmosphère terrestre pour minimiser l’intensité stellaire résiduelle dans l’image coronographique.
L’instrument SPHERE, installé au Very Large Telescope (VLT, Chili) depuis 2014, est un des imageurs d’exoplanètes les plus performants aujourd’hui, détectant des planètes cent mille fois moins brillantes que leur étoile à une distance de 300 milliarcsecondes. Son système OA, appelé SAXO, est équipé d’un analyseur de surface d’onde (ASO) de type Shack-Hartmann et d’un miroir déformable, fonctionnant en boucle fermée à une fréquence maximale de 1,38 kHz. Pour pallier aux limitations actuelles (sensibilité de l’ASO et vitesse de la boucle), le projet d’upgrade de SPHERE, appelé SPHERE+, prévoit d’améliorer SAXO en SAXO+ par l’ajout d’une seconde boucle de correction en aval de la première boucle existante (SAXO). Actuellement en phase de design, la seconde boucle est plus rapide, jusqu’à 3 kHz, et utilise un ASO de type pyramide en infrarouge proche. Une fois en boucle fermée, la performance de SAXO+ sera limitée par les aberrations différentielles entre la voie d’analyse de la pyramide et la voie coronographe. Dans l’image finale, ces aberrations se traduisent par des speckles. On cherche alors à corriger ces taches brillantes qui sont semblables à l’image d’une exoplanète.
Pendant ma thèse, j’ai effectué des simulations numériques pour l’instrument SPHERE+. J’ai utilisé l’outil de simulation end-to-end Compass, développé au LIRA, pour lequel j’ai implémenté un module permettant de calculer des images coronographiques. En première partie de thèse, j’ai lancé une campagne de simulations explorant les paramètres importants de SAXO+, constitué de deux boucles asynchrones et travaillant dans des bandes spectrales différentes. Je définis les paramètres optimaux comme ceux minimisant l’intensité stellaire résiduelle dans les images coronographiques. Je montre que SAXO+ améliore la performance du système au moins d’un facteur 10 par rapport à SAXO. Pour différentes magnitudes et conditions atmosphériques, je donne les fréquences optimales de chaque boucle et le gain optimal de la première boucle. Je quantifie aussi l’impact du rayon de modulation de la pyramide sur la performance de l’OA. Dans la deuxième partie de la thèse, j’explore deux méthodes de correction des speckles. La première est une compensation de la phase des aberrations différentielles en plan pupille. La deuxième méthode est une troisième boucle de correction, mesurant le champ électrique statique dans les images coronographiques et rétroagissant sur la boucle d’OA pour minimiser l’intensité des speckles. Dans chaque cas, il faut biaiser la mesure de l’ASO pyramide pour ajouter une phase statique dans la voie du coronographe. J’implémente alors une méthode d’étalonnage des gains optiques de la pyramide pour quantifier ses non-linéarités. Je montre que chacune des deux méthodes de suppression des speckles améliore significativement la performance de SAXO+ et je conclus sur l’intérêt ou non de l’utilisation des gains optiques selon les conditions atmosphériques.
