Recherche et caractérisation d'exoplanètes par photométrie : développement et exploitation du projet ASTEP - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2010

Search and characterization of exoplanets by photometry: development and exploitation of the ASTEP project

Recherche et caractérisation d'exoplanètes par photométrie : développement et exploitation du projet ASTEP

Abstract

The photometry of transits is a powerful method to detect and characterize exoplanets. The Concordia base in Dome C, Antarctica, is an extremely promising site for photometric astronomy due to the 3-month long night during the Antarctic winter and very favorable weather conditions. The ASTEP project (Antarctic Search for Transiting ExoPlanets) is a pilot project to discover and characterize transiting planets and understand the limits of visible photometry from the Concordia site. The project is divided into two phases : ASTEP South, a fixed 10 cm refractor, and ASTEP 400, a pointable 40 cm telescope. This thesis is dedicated to the development and exploitation of the ASTEP project. A photometric simulator is built to identify the noise sources affecting the photometry, such as seeing and PSF (Point Spread Function) variations. The simulator is used to choose the ASTEP CCD cameras. These cameras are tested and characterized. We then focus on ASTEP South. The instrument is composed of a fixed 10 cm refractor and a CCD camera inside a heated box, pointing continuously a 3.88°x3.88° field of view centered on the celestial south pole. The observation strategy is validated, and the various parts of the instrument are chosen. The observation parameters are defined from an analysis of the crowding in the field of view and tests on the sky. ASTEP South has functionned almost continuously during the 2008, 2009, and 2010 winters. A preliminary analysis leads to the qualification of Dome C for photometry : the fraction of excellent weather for photometric observations is between 56.3 and 68.4 % for the 2008 winter, and between 59.4 et 72.7 % for the 2009 winter. This is better than large observatories located in temperate sites. Lightcurves are then extracted for the 8000 stars in the field. The reduction pipeline is under improvement to reach a precision high enough to search for transit signals of exoplanets. The heart of the project, ASTEP 400, is a 40 cm telescope entirely designed and built to perform high precision photometry under the extreme conditions of the Antarctic winter. The optical, mechanical, and thermal studies, as well as sofware development led by the ASTEP team members are presented. We focus in particular on the photometric and guiding simulations, performed during this thesis. After test observations at the Nice Observatory, ASTEP 400 is installed at Concordia during the 2010 summer campaign. The telescope has functionned nominally since the first observations. The photometric precision we obtain is equivalent to that of 1.5 to 2 meter telescopes located in temperate sites. Besides, 1-month long continuous observations of known transiting planets yield a precision of 200 ppm, better than any other ground-based photometric observations in the visible. As a result, we put an upper limit on the secondary transit depth, and thus on the brightness temperature in the visible of these planets. In parallel, the follow-up of microlensing alerts with ASTEP 400 is performed in complement to observations with other telescopes, and leads to the detection of brown dwarf or planetary companions. The fact that ASTEP 400 has fonctionned nominally during all the 2010 winter, and the very high quality of the data, are a strong confirmation of the potential of Dome C for the search and characterization of transiting exoplanets, and for photometry in the visible in general.
La photométrie des transits est une méthode puissante pour la détection et la caractérisation des exoplanètes. Le Dôme C, en Antarctique, est un site extrêmement prometteur pour les observations photométriques, grâce à une nuit continue de 3 mois durant l'hiver austral et des conditions atmosphériques très favorables. Le projet ASTEP (Antarctic Search for Transiting ExoPlanets) vise à détecter et caractériser des planètes en transit, ainsi qu'à déterminer les limites de la photométrie dans le visible depuis la station Concordia, au Dôme C. Il se divise en deux phases : ASTEP Sud, un instrument fixe de 10 cm, et ASTEP 400, un télescope pointable de 40 cm. Le travail présenté dans cette thèse est dédié au développement et à l'exploitation du projet ASTEP. Un simulateur photométrique est élaboré, et permet d'identifier les sources de bruit affectant la photométrie, telles que les variations de seeing ou de la forme des PSF (Point Spread Function). Des simulations aboutissent au choix des caméras CCD d'ASTEP. Ces caméras sont alors testées et caractérisées. On présente ensuite ASTEP Sud, un instrument fixe composé d'une lunette de 10 cm et d'une caméra CCD dans une enceinte chauffée, qui pointe en permanence un champ de 3.88°x3.88° centré sur le pôle sud céleste. La stratégie d'observation est validée, et les différents éléments de l'instrument sont choisis. Les paramètres d'observation sont définis à partir d'une étude de la contamination et des tests sur le ciel. ASTEP Sud a fonctionné quasiment en continu durant les hivers 2008, 2009 et 2010. L'analyse préliminaire des données permet de qualifier le Dôme C pour la photométrie : la fraction de temps excellent pour les observations photométriques est comprise entre 56.3 et 68.4 % pour l'hiver 2008 et entre 59.4 et 72.7 % pour l'hiver 2009, ce qui est meilleur que dans les grands observatoires des régions tempérées. Les courbes de lumière des 8000 étoiles du champ sont extraites. Le traitement est en cours d'amélioration pour atteindre une précision permettant d'identifier la signature de transits d'exoplanètes. Le coeur du projet, ASTEP 400, est un télescope de 40 cm entièrement conçu et développé dans le but d'effectuer des observations photométriques de qualité dans les conditions extrêmes de l'hiver antarctique. On présente les différentes études menées par les membres de l'équipe ASTEP (études optiques, mécaniques, thermiques, développement logiciel) ; en particulier, on détaille les simulations photométriques et l'étude du guidage. Après des observations de test à l'Observatoire de Nice, ASTEP 400 est installé à Concordia durant la campagne d'été 2010. Le fonctionnement du télescope est nominal dès le début des observations. La précision photométrique obtenue est équivalente à celle de télescopes de 1.5 à 2 m situés dans des sites tempérés. De plus, l'observation continue pendant 1 mois de planètes à transits connues permet d'atteindre une précision de 200 ppm, inégalée pour des observations photométriques dans le visible depuis le sol. On obtient ainsi une limite supérieure sur la profondeur du transit secondaire, et donc sur la température de brillance de ces planètes dans le visible. En parallèle, le suivi d'alertes microlentilles avec ASTEP 400 permet de compléter les données d'autres télescopes, et de participer à la détection d'objets de type naine brune ou planétaire. Le fonctionnement nominal d'ASTEP 400 durant tout l'hiver 2010 et la qualité des données obtenues confirment le potentiel du Dôme C pour la recherche et la caractérisation de planètes en transits, et pour la photométrie dans le visible en général.
Fichier principal
Vignette du fichier
these_v7.pdf (42.42 Mo) Télécharger le fichier

Dates and versions

tel-00553268 , version 1 (07-01-2011)
tel-00553268 , version 2 (08-04-2012)
tel-00553268 , version 3 (05-01-2014)
tel-00553268 , version 4 (07-03-2016)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00553268 , version 4

Cite

Nicolas Crouzet. Recherche et caractérisation d'exoplanètes par photométrie : développement et exploitation du projet ASTEP. Planète et Univers [physics]. Université Nice Sophia Antipolis, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00553268v4⟩
528 View
1079 Download

Share

Gmail Mastodon Facebook X LinkedIn More