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Thèse Année : 2007

SEARCH FOR EXTRASOLAR PLANETS THROUGH HIGH CONTRAST DIFFRACTION LIMITED INTEGRAL FIELD SPECTROSCOPY

RECHERCHE DES PLANETS EXTRASOLAIRES PARMI LA SPECTROSCOPIE INTEGRALE DE CHAMP A LA LIMITE DE DIFFRACTION D'UN TELESCOPE DANS LE REGIME DE HAUT CONTRASTE

Résumé

Nowadays the extrasolar planet research can be raised to the level of a new chapter of Astrophysics, combining different domains of science: Physics of sub-stellar objects, Planetology, Astrobiology and Optics in an interdisciplinary way; in this sense, this matter "rides the wave" of the evolutive epoch we are leaving, the one of the interdisciplinary information. The statistics on the properties of planets and their parent stars is increasing monthly, and is opening the way to the next step of this research, the direct detection. The first direct detection of a stellar companion with a planetary mass, occurred only in 2004, when distinct images of a star 2M1207 and of its low-mass companion were finally obtained, exploiting a few among the best astronomical facilities available today: VLT/NACO and HST/NICMOS. After the first detection, the ones of GQ Lup b and AB Pictoris b followed in 2005. However, these cases should be considered the first pioneering efforts to try to collect separately the light of a planet from the one of the parent star and, at present, it remains a non-standard technique in Astronomy. Direct detection techniques, such the ones based on high contrast imaging or interferometry, could overcome the limits of the in-direct approaches. The Transit technique - for instance - provides the radius of a low-mass companion only. Derivation of the planet mass by the periodic variation of the stellar light curve is impossible unless Radial Velocity measures are available: the object may be a planet, but also a low mass star or a brown dwarf or a white dwarf, whose radii are similar to the Earth one. The Radial Velocity technique - in turn - is sensitive only to extrasolar planets with relatively small orbits, typically corresponding to objects at a distance smaller than a few AU from their parent star, or with high eccentricity. These limitations lead to ambiguous interpretations on the properties of what has been actually detected, biasing both single-object and statistical analyses. Simultaneous Differential Imaging (SDI) is a high contrast differential calibration technique, allowing to create several images taken at different wavelengths of the same field of view around a target star. Subtraction of simultaneous monochromatic images is a way to remove the Speckle Noise which dominates over any other optical pattern inside the angular separation boundary, where a suitable Adaptive Optics system restores the diffraction limit fixed by the telescope aperture. This calibration technique has produced already a number of important scientific results in the realm of sub-stellar objects, reaching star vs. planet Contrast of order of 104-105 with the NACO-SDI facility at the VLT. Presently, the Contrast threshold allowing to detect (young) Jupiter-like planets - around 107 - is the challenge for the next ground based Planet Finder projects as the European one SPHERE. SPHERE will mount the first Integral Field Spectrograph aimed to the direct detection of extrasolar planets. The theory joining 3D-Spectroscopy and extrasolar planets direct detection represents what, in this Dissertation, we defined as Spectroscopical Simultaneous Differential Imaging (S-SDI). In this frame, diffraction limited Integral field Spectroscopy is needed to obtain monochromatic images over the entire field of view around a target star. Then, through 3D-Spectroscopy, simultaneous difference of monochromatic images should exceed the standard Simultaneous Differential Imaging, based on chromatic filters only. The work presented in this Dissertation is entirely devoted to high contrast diffraction limited Integral Field Spectroscopy. The aim is to describe this subject, leading the reader to approaching step by step the domain of diffraction limited Integral Field Spectroscopy, from the ideal case, up to the real case of a Speckle dominated input signal. This latter being the specific case of the SPHERE Integral Field Spectrograph (IFS). Design of a diffraction limited IFS requires careful consideration of a number of subtle effects, including not uniform illumination of the entrance aperture (causing diffraction patterns different from the classical Airy disk), cross talk between adjacent spaxels (i.e. pixels in the spatial dimension) caused by the wings of the diffraction profiles, and correct sampling in both spatial coordinates and wavelength. Appropriate consideration of these effects should be combined in a design where the largest field of view, spectral resolution and coverage are obtained at the cheapest possible cost (this being mainly driven by the number of detector pixels). In the effort of realizing the Integral Field Unit of this instrument, we found that a new optical concept - BIGRE - allows to overcome all the features affecting the Slit Functions of a 3D-Spectrograph working in this optical regime. As a consequence, the SPHERE Integral Field Spectrograph presented in this Dissertation is a complete BIGRE oriented instrument. The theory of a diffraction limited IFS presented in this Dissertation is largely new, and it is the most important original contribution of this work. Finally, this Dissertation ends describing the contribution we gave for the 3D-Spectroscopy facility foreseen within the EPICS instrument. EPICS is a feasibility study for a Planet Finder for the OWL Telescope promoted by ESO in 2005. It was based on a collaboration of expertises from all over Europe; the design explored different possible frameworks for the future European ELT. The structure of the Dissertation is as follows: in Section 1 we introduce the topic of extrasolar planet research; special emphasis is given to the model atmosphere for extrasolar giant planets, on which both Simultaneous Differential Imaging and the Spectroscopical Simultaneous Differential Imaging achieve their scientific reasons. Section 2 is dedicated to a panoramic description of the detection methods useful to the search for planets; here special emphasis is given in the comparison between direct and in-direct detection methods. The fact that in-direct detection method will remain fundamental even after direct detection techniques will be operative is clearly stated. In Section 3 Simultaneous Differential Imaging and Spectroscopical Simultaneous Differential Imaging are defined, described and compared. The important aspect here is that - in principle - S-SDI is much powerful that the standard SDI, and that the Integral Field Spectrograph of SPHERE could reach Constrast values as high as 107, i.e. the (young) Jupiter Contrast size. In Section 4 the SPHERE project is described as a whole, except for the Integral Field Spectrograph. Sections 5 and 6 are fully dedicated to this subject. Specifically, Section 5 is dedicated to the general description of the classical TIGER and the new BIGRE devices, and to the optimization of the BIGRE Integral Field Unit of this Integral Field Spectrograph. Results of laboratory prototyping are presented; they confirm that BIGRE is the right optical solution in order to achieve the science goals of this Integral Field Spectrograph. Section 6 describes the IFS optical design, and Section 7 finally, the work we did for the 3D-Spectroscopy channel foreseen for EPICS.
La ricerca di pianeti extrasolari oggi può essere considerata come un nuovo capitolo della Astrofisica che riunisce differenti campi scientifici: Fisica degli oggetti sub-stellari, Planetologia, Astrobiologia ed Ottica in modo interdisciplinare; in questo senso questa materia "cavalca l'onda" dell'epoca in cui viviamo, quella della conoscenza interdisciplinare. L'inferenza statistica riguardante le proprietà dei pianeti e delle loro stelle ospiti migliora di mese in mese e sta aprendo la strada per il passo successivo di questa ricerca, la rivelazione tramite metodi diretti. La prima scoperta diretta di un compagno stellare di massa planetaria è avvenuta solo nel 2004, quando, finalmente, sono state ottenute immagini distinte della stella 2M1207 e del suo compagno di piccola massa, usufruendo di un paio dei migliori strumenti per l'Astronomia disponibili oggi: VLT/NACO e HST/NICMOS. Dopo questo primo ritrovamento, nel 2005 sono seguiti quelli di GQ Lup b ed AB Pictoris b. Tuttavia, questi casi devono essere considerati come esempi pionieristici dell'intento di rappresentare separatamente la luce di un pianeta e quella della sua stella madre. Al momento, in Astronomia questi casi rimangono esempi di rivelazione non standardizzati in una tecnica consolidata. Le tecniche per la scoperta diretta, come quelle basate sull'Imaging ad alto contrasto o l'Interferometria, possono superare i limiti propri degli approcci indiretti. La tecnica dei Transiti - per esempio - fornisce come informazione fisica solo il raggio del compagno di piccola massa. Ricavare la massa del pianeta attraverso la variazione periodica della curva di luce della stella ospite è impossibile a meno che siano disponibili anche misure di Velocità Radiale: l'oggetto in questione potrebbe essere un pianeta ma anche una stella di piccola massa, oppure una nana bruna od una nana bianca, il cui raggio è simile a quello della Terra. A sua volta, la tecnica delle Velocità Radiali è sensibile alla presenza di un pianeta, nel caso in cui esso abbia orbita relativamente stretta - tipicamente essa corrisponde ad oggetti con distanza più piccola di qualche UA dalla stella madre -, oppure nel caso in cui la sua orbita abbia un valore di eccentricità alto. Questi limiti comportano interpretazioni ambigue su ciò che effettivamente è stato rivelato, pregiudicando l'analisi sul singolo oggetto, come quella sull'intero campione statistico. L'Imaging Differenziale Simultaneo (SDI) è una tecnica di calibrazione differenziale ad alto contrasto che permette di creare alcune immagini di diversa lunghezze d'onda e dello stesso campo di vista attorno ad una stella target. La sottrazione simultanea di immagini monocromatiche è utilizzata come metodo per rimuovere il rumore di Speckle. Esso domina su ogni altro "pattern ottico" compreso nell'intervallo di separazione angolare dove un sistema di Ottica Adattiva opportuno restaura il limite ottico di diffrazione, fissato a sua volta dall'apertura del telescopio. Questa tecnica di calibrazione ha già prodotto importanti risultati scientifici nel regno degli oggetti sub-stellari, arrivando a valori di Contrasto stella vs. pianeta dell'ordine di 104-105 con lo strumento NACO-SDI al VLT. Al momento, la soglia di Contrasto che permette di rivelare pianeti gioviani (giovani) - dell'ordine di 107 - rappresenta la sfida per i prossimi progetti da terra per la rivelazione diretta dei pianeti extrasolari, tra cui quello Europeo SPHERE. SPHERE monterà il primo Spettrografo a Campo Integrale indirizzato alla rivelazione diretta di pianeti extrasolari. La teoria che collega Spettroscopia 3D e la rivelazione diretta di pianeti extrasolari è ciò che, in questa Dissertazione, noi definiamo come Imaging Differenziale Simultaneo Spettroscopico (S-SDI). In questa prospettiva, la Spettroscopia a Campo Integrale al limite ottico di diffrazione è necessaria per ottenere immagini sull'intero campo di vista attorno ad una stella target. Poi, sempre attraverso la Spettroscopia 3D, la differenza simultanea di immagini monocromatiche dovrebbe superare l'Imaging Differenziale Simultaneo standard, che è basato solo su filtri cromatici. Il lavoro qui presentato è interamente dedicato alla Spettroscopia a Campo Integrale al limite ottico di diffrazione in condizione di alto contrasto. La volontà è di descrivere questo argomento, portando il lettore ad avvicinarsi passo dopo passo al domino della Spettroscopia a Campo Integrale al limite ottico di diffrazione, partendo dal caso ideale, fino al caso reale di un segnale di ingresso dominato dal rumore di Speckle. Specificamente, quest'ultimo è il caso in cui opererà lo Spettrografo a Campo Integrale montato su SPHERE. La progettazione di uno Spettrografo a Campo Integrale ottimizzato per lavorare al limite ottico di diffrazione richiede di fare attenzione a fenomeni ottici complessi, ad esempio l'illuminazione non uniforme delle fenditure di ingresso (questo causa profili di diffrazione diversi dal classico disco di Airy), cross talk tra spaxel adiacenti (cioè pixel nella dimensione spaziale) causato dalle ali dei profili di diffrazione, ed il corretto campionamento del segnale di ingresso sia nelle coordinate spaziali che in lunghezza d'onda. L'esame opportuno di questi effetti deve essere combinato in un progetto ottico dove il massimo campo di vista e la giusta risoluzione spettrale siano ottenute con il minimo costo possibile (quest'ultimo dipende principalmente dal numero di pixel del rivelatore). Nell'intento di realizzare l'Unità a Campo Integrale di questo strumento, abbiamo messo a punto un nuovo concetto ottico - BIGRE - che permette di superare tutti gli effetti che intaccano le Funzioni di Fenditura di uno Spettrografo 3D, operante in questa condizione ottica. Come conseguenza, lo Spettrografo a Campo Integrale di SPHERE, presentato in questa Dissertazione, è completamente orientato al concetto ottico BIGRE. La teoria di uno uno Spettrografo a Campo Integrale ottimizzato per lavorare al limite ottico di diffrazione è in gran parte nuova e rappresenta il contributo originale più importante di questo lavoro. Infine, questa Dissertazione termina con la descrizione del contributo che abbiamo dato alla realizzazione dello Spettrografo 3D previsto all'interno dello strumento EPICS. EPICS è uno studio di fattibilità per un Planet Finder - adatto al Telescopio OWL - promosso da ESO nel 2005. Questo lavoro si è basato sulla collaborazione di esperti provenienti da tutta Europa; nella progettazione si sono esplorati possibili adattamenti per il futuro Extremely Large Telescope Europeo. La struttura di questa Dissertazione è la seguente: nella Sezione 1 introduciamo l'argomento dei pianeti extrasolari; è data particolare enfasi ai modelli di atmosfera relativi ai pianeti extrasolari giganti, sui quali sia l'Imaging Differenziale Simultaneo e l'Imaging Differenziale Simultaneo Spettroscopico traggono la loro ragione scientifica. La Sezione 2 è dedicata ad una descrizione panoramica dei metodi utili nella rivelazione dei pianeti extrasolari; particolarmente sottolineata è la comparazione tra metodi diretti e metodi indiretti. E' spiegato chiaramente il fatto che i metodi indiretti rimarrano fondamentali una volta che le tecniche di detezione diretta saranno operative. Nella Sezione 3 sono definite, descritte e comparate le tecniche di Imaging Differenziale Simultaneo ed Imaging Differenziale Simultaneo Spettroscopico. Il fatto importante qui è che - di principio - la tecnica S-SDI è più potente della tecnica SDI standard, e che lo Spettrografo a Campo Integrale di SPHERE è in grado di raggiungere valori di Contrasto dell'ordine di 107, cioè i valori di Contrasto tipici dei pianeti gioviani (giovani). Nella Sezione 4 è descritto l'intero progetto SPHERE, eccetto lo Spettrografo a Campo Integrale. Le Sezioni 5 a 6 sono completamente dedicate a questo argomento. Specificamente, la Sezione 5 riguarda la descrizione generale del classico dispositivo TIGER e del nuovo dispositivo BIGRE, e l'ottimizzazione della Unità a Campo Integrale di questo Spettrografo 3D. Inoltre, sono presentati i risultati del prototipo di laboratorio; essi confermano che BIGRE è la soluzione ottica vincente per soddisfare il caso scientifico di questo strumento. La Sezione 6 ne descrive il disegno ottico e la Sezione 7 - infine - presenta il lavoro svolto per il canale di Spettroscopia 3D previsto per EPICS.
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tel-00580958 , version 1 (29-03-2011)

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  • HAL Id : tel-00580958 , version 1

Citer

Jacopo Antichi, Kjetil Dohlen. SEARCH FOR EXTRASOLAR PLANETS THROUGH HIGH CONTRAST DIFFRACTION LIMITED INTEGRAL FIELD SPECTROSCOPY. Astrophysics [astro-ph]. Università degli studi di Padova, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00580958⟩
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