High contrast imaging techniques using light coherence for exoplanet direct detection.

Étude de techniques d'imagerie à haut contraste basées sur la cohérence

Raphaël Galicher (1)

1 LESIA - Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique

Only 3% of known exoplanets have been directly detected up to now for several reasons. First, they are very close to their parent star, which sets a minimum telescope size and requires the use of an atmospheric turbulence compensator. Then, the star is so bright compared to its planets (one million to ten billions) that the reduction of its light through a coronagraph is mandatory. Finally, we need to compensate or estimate optical aberrations which drastically limit the coronagraph performances. During my PhD Thesis, I worked on two instruments: the Multi-stage Four Quadrant Phase Mask (MFQPM) coronagraph to reduce the star light, and the Self-Coherent Camera (SCC) which minimizes optical errors using incoherence between star and planet lights. In a laboratory experiment, I showed that 1000-- 10,000 star flux reduction is possible from 550 and 750nm with a non-optimized MFQPM. Then, I numerically demonstrated that SCC can be associated with a Lyot style coronagraph to provide Earth-like planet detection from space and under realistic assumptions. That technique works in two steps: focal plane wavefront sensing and differential imaging. Finally, I provided a SCC phase measurement in a laboratory experiment.

Depuis 1995, environ 350 exoplanètes ont été détectées mais seule une dizaine l'a été directement pour plusieurs raisons. D'abord, les projections de l'étoile hôte et de sa planète sur la sphère céleste sont très proches -- quelques fractions de secondes d'arc. Ceci impose un diamètre minimum pour le télescope et un système compensant les perturbations atmosphériques. Ensuite, le flux lumineux de l'étoile hôte est entre un million et dix milliards de fois plus fort que celui de la planète. Pour réduire ce flux stellaire sans affecter le flux planétaire, nous utilisons un coronographe dont les performances sont limitées par les défauts optiques qui doivent être compensés ou estimés. Pendant ma thèse, j'ai étudié sur des plans théoriques et expérimentaux deux techniques: le coronographe à quatre quadrants à étages multiples (MFQPM) pour atténuer le flux stellaire et la self coherent camera (SCC) qui minimise l'impact des aberrations optiques en utilisant l'incohérence entre lumières stellaires et planétaires. J'ai montré en laboratoire qu'un prototype non optimisé du MFQPM fournissait une extinction achromatique de l'étoile centrale de mille à dix milles entre 550 et 750nm. Puis, j'ai montré par simulations que la SCC s'associe aisément avec un coronographe de type Lyot et qu'en utilisant ses deux modes de fonctionnement -- analyseur de surface d'onde en plan focal et imagerie différentielle --, des planètes de type Terre pouvaient être détectées de l'espace sous des conditions réalistes. J'ai également mesuré un défaut réel de phase via la SCC sur le banc d'Imagerie Très Haute Dynamique que j'ai développé à l'Observatoire de Paris.

Mots clés: High contrast imaging; high angular resolution; coronagraph; post-processing imaging; wavefront sensor; adaptive optics; astronomy; astrophysics; exoplanets; extra-solar planets

Mots clés: Imagerie haut contraste; imagerie haute dynamique; haute résolution angulaire; coronographie; traitement d'images; analyseur de surface d'onde; optique adaptative; astronomie; astrophysique; exoplanètes; planètes extrasolaires

Domaines: Astrophysique [astro-ph]

Raphaël Galicher. Étude de techniques d'imagerie à haut contraste basées sur la cohérence. Astrophysique [astro-ph]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00436293v2⟩