Soutenance de thèse de ALTINIER Lisa
Titre de thèse
Développement du dithering à mode de haut ordre, une nouvelle méthode de traitement d'images pour la détection d'exoplanètes avec le NASA Roman Space Telescope
Development of High-Order Mode Dithering, a new image processing method for exoplanet detection with the NASA Roman Space Telescope.
Résumé de la thèse
L'imagerie directe des exoplanètes est essentielle pour caractériser leurs propriétés physiques et atmosphériques, mais reste difficile en raison du contraste élevé avec l'étoile hôte et des faibles séparations angulaires. Les méthodes indirectes, telles que la vélocimétrie radiale et les transits, détectent de nombreuses exoplanètes mais fournissent peu d'informations sur leurs atmosphères. Atteindre des contrastes de $sim 10−9$ pour des planètes de type Jupiter ou de $sim 10^{−10}$ pour des planètes de type Terre en lumière réfléchie dépasse les capacités des télescopes actuels. Les instruments au sol avec optique adaptative détectent des planètes jeunes et brillantes dans l'infrarouge, tandis que Hubble et JWST ne possèdent pas de systèmes de contrôle actif du front d'onde adaptés à la coronographie à contraste profond.
Le télescope spatial Nancy Grace Roman (Roman, RST), dont le lancement est prévu en 2026, comble cette lacune avec un télescope de 2,4 m et le premier coro- nographe spatial équipé d'un contrôle actif du front d'onde. Son coronographe peut créer un trou noir focal supprimant la lumière stellaire jusqu'à $sim 10−9$ après post- traitement, permettant la détection de planètes de type Jupiter anciennes à $3–9 lambda}/D$ (0,15–0,44 arcsec). Les taches quasi-statiques, issues d'imperfections optiques, de dérives thermiques et du bruit des actionneurs du miroir déformable, dominent le bruit et nécessitent des méthodes de post-traitement telles que l'analyse en composantes principales (PCA) et l'imagerie différentielle par étoile de référence (RDI).
La RDI classique est limitée par les dérives du front d'onde et le faible degré de diversité des étoiles de référence. Le dithering à modes de haut ordre (HOMD) injecte des aberrations contrôlées de haut ordre (Z5–Z24) dans les miroirs déformables lors de l'observation de l'étoile de référence, enrichissant la bibliothèque de taches et amé- liorant le post-traitement. Le simulateur CAPyBARA modélise le coronographe Roman et les séquences d'observation, incluant aberrations statiques et quasi-statiques.
Les résultats montrent que l'efficacité du HOMD dépend de la dérive, de la sélection du mode et de l'alignement avec les aberrations dominantes. Les modes d'ordre inférieur (Z5-Z8) apportent les améliorations les plus importantes, tandis que le chevauchement partiel réduit l'efficacité. Le HOMD augmente la diversité du catalogue de référence, atténue la sensibilité à la dérive et améliore le contraste post-traitement, offrant ainsi une méthode pratique pour améliorer l'imagerie spatiale à contraste élevé et ouvrant la voie à de futures missions telles que l'Observatoire des mondes habitables, qui nécessitera des contrastes extrêmes ($sim 10^{-10}$) pour la détection de planètes de type Terre.
Thesis resume
Direct imaging of exoplanets is crucial for characterizing their physical and atmospheric properties, but is challenging due to high contrast with host stars and small angular separations. Indirect methods like radial velocity and transits detect many ex- oplanets but provide limited atmospheric information. Achieving contrasts of $sim 10−9$ for Jupiter-like planets or $sim 10^{−10}$ for Earth-like planets in reflected light exceeds current telescope capabilities. Ground-based adaptive optics detect young, infrared-bright planets, while Hubble and JWST lack active wavefront control for high contrast coronagraphy.
The Nancy Grace Roman Space Telescope (Roman, RST), launching in 2026, addresses this gap with a 2.4 m telescope and the first space-based coronagraph with active wavefront control. Its coronagraph can create a dark hole suppressing starlight to $sim 10−9$ after post-processing, enabling detection of old Jupiter-like planets at $3– 9 lambda/D$ (0.15–0.44 arcsec). Quasi-static speckles from optical imperfections, thermal drifts, and DM actuator noise dominate the noise and require post-processing methods such as principle components analysis (PCA) and reference differential imaging (RDI).
Classical RDI is limited by wavefront drift and low reference star diversity. High-Order Mode Dithering (HOMD) injects controlled high-order aberrations (Z5–Z24) into deformable mirrors during reference star observations, enriching the speckle library and improving post-processing. CAPyBARA, a dedicated simulator, models the coronagraph and observing sequence, including static and quasi-static aberrations.
Results show HOMD effectiveness depends on drift, mode selection, and alignment with dominant aberrations. Low-order modes (Z5–Z8) provide the largest improvements, while partial overlap reduces effectiveness. HOMD increases library diversity, mitigates drift sensitivity, and improves post-processed contrast, providing a practical method to enhance space-based high-contrast imaging and paving the way for future missions like the Habitable Worlds Observatory, which will require extreme contrasts ($sim 10^{-10}$) for Earth-like planets detection.