A study of the performance of a nulling interferometer testbed preparatory to the Darwin mission

Etude des performances d'un banc interférométrique en frange noire dans le cadre de la préparation de la mission Darwin

Pavel Gabor (1)

1 IAS - Institut d'astrophysique spatiale

Preparations for a future interferometric flagship space mission (Darwin, TPF-I) are under way in order to study Earth-like extrasolar planets in the habitable zones of their parent stars, and more particularly to estimate the proportion of such exoplanets with atmospheric compositions suggesting the presence of biotic photosynthesis. Nulling interferometry operating in the spectral band between 6 and 18 µm may allow distinguishing the emissions of the exoplanet from those of its star and the ambient diffuse sources. The thesis summarises the experimental work performed on the SYNAPSE test bed at the Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay. The bench was tested in the K band, from 2.0 to 2.5 µm, as well as with a laser at 3.39 µm. The results confirm the trend observed by other research groups, viz., the performance is better in monochromatic light than in broadband (nulling ratios of 1E-5 monochromatic, and 3E-4 broad band). Extensive experimental study of this phenomenon is described. In addition to these efforts aiming at a better grasp of nulling interferometry as such, we tested an Achromatic Phase Shifter prototype (a key element in broadband nulling) based on the through-focus principle. We developed a technique of optical path difference stabilisation, where interferometrically combined flux is measured while dithering the optical path difference. We reached stability levels comparable to those required for the future space mission.

Une future mission spatiale (Darwin, TPF-I) est en préparation pour étudier les planètes extrasolaires telluriques dans les zones habitables respectives de leurs étoiles, notamment, pour établir combien, parmi ces exoplanètes, ont une composition atmosphérique indiquant la présence de la photosynthèse biotique. Travaillant dans la bande spectrale de 6 à 18 m, l'interfèrométrie en frange noire doit permettre de distinguer le flux lumineux de l'exoplanète de celui de son étoile ainsi que des sources diffuses. La thèse résume les travaux expérimentaux conduits sur le banc Synapse à l'Institut d'Atrophysique Spatiale à Orsay. Le banc a été testé dans la bande K, de 2.0 à 2.5 µm, ainsi qu'avec une source laser à 3.39 µm. Les fibres optiques monomodes sont employées comme filtres du front d'onde. Le banc utilise deux paires (une dans chacun des deux bras) de prismes dispersifs qui servent de compensateur du chromatisme et de d´ephaseur achromatique. Les résultats confirment la tendance observée par d'autres équipes : les performances sont meilleures en lumière monochromatique qu'en bande large (taux d'extinction : 1E-5 monochromatique et 3E-4 bande large). Des études expérimentales extensives de ce phénomène sont décrites. A part ces travaux portant sur le principe de l'interférométrie en frange noire, nous avons testé un prototype du déphaseur achromatique basé sur le passage par un foyer optique. Nous avons d´eveloppé une technique pour stabiliser la différence de marche, mesurant le flux recombiné en modulant la différence de marche. Nous avons obtenu des niveaux de stabilité comparables à ceux qui sont nécessaires pour la future mission spatiale.

Mots clés: nulling interferometry; extrasolar planets; infrared instrumentation; high angular resolution; achromatic phase shifters; optical path difference stabilisation

Mots clés: interférométrie en frange noire; planètes extrasolaires; instrumentation infrarouge; haute résolution angulaire; déphaseurs achromatiques; stabilisation de la différence de marche optique

Domaines: Astrophysique [astro-ph]

Pavel Gabor. A study of the performance of a nulling interferometer testbed preparatory to the Darwin mission. Astrophysics [astro-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2009. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00439669⟩