Binary system characterization with a fibered non-redundant interferometer for high dynamic range imaging
Caractérisation de systèmes binaires par imagerie haute dynamique non redondante fibrée
Résumé
My work has been carried out in the context of imaging at high angular resolution and high dynamic range, and in particular on the development of the instrument called FIRST, Fibered Imager foR a Single Telescope. Its principle relies on the novel technique of pupil remapping, combining aperture masking and spatial filtering of the wavefront thanks to single-mode fibers. The purpose of my thesis was to mount FIRST on a telescope, improve its performances and develop a pipeline for data reduction and analysis. First light of the instrument has been obtained in July 2010 on the 3-m Shane telescope at Lick Observatory. Afterwards, I have been working on different aspects of the optical and mechanical design, in order to improve its performances during observations. We have then conducted an observation campaign spread out over several runs between July 2011 and December 2012. Primary targets were binary systems, which are ideal objects to assess the resolving power and the dynamic range of the instrument. For that purpose, I have developed a data reduction pipeline, allowing to derive interferometric observables from the fringe images and performing a fit of a binary model. I have thus reduced part of the large amount of data acquired at Lick Observatory, and in particular the data taken on the binary system Capella. The results show that the companion is detected, which lies at a separation on the order of the diffraction limit of the telescope. Moreover, our data provide an unprecedented measurement of the spectral flux ratio at visible wavelengths. Stellar atmospheric models have been fitted to this spectrum and demonstrate that such data provide valuable information to characterize a binary system, and in particular to constrain the effective temperatures of the two components. Finally, the success of the observations conducted at Lick Observatory has led us to initiate a collaboration with the SCExAO team from the Subaru telescope. FIRST has therefore been integrated to their optical bench and first light on the Subaru telescope has been achieved on July 25, 2013. To conclude, the results I have obtained validate the concept of pupil remapping on-sky and demonstrate that this technique allows to restore the capabilities of a telescope at the diffraction limit and at visible wavelengths. Although the sensitivity of FIRST is still limited, these results are highly promising regarding observations to come at the Subaru telescope and more generally regarding future developments based on this technique, in particular in the context of exoplanet detection and characterization.
Mon travail de thèse s'inscrit dans le cadre de l'imagerie à haute résolution angulaire et à haute dynamique et a porté plus particulièrement sur le développement de l'instrument FIRST, Fibered Imager foR a Single Telescope. Celui-ci repose sur la technique novatrice du réarrangement de pupille, combinant masquage de pupille et filtrage spatial du front d'onde par fibres optiques monomodes. L'objectif de ma thèse était de porter cet instrument sur le ciel, d'améliorer ses performances et de développer un programme de traitement et d'analyse des données. Après l'obtention de la première lumière de FIRST en juillet 2010 sur le télescope de 3 m de l'observatoire Lick, je me suis dans un premier temps attachée à améliorer certains aspects du montage optique et mécanique, en vue d'accroître ses performances lors des observations. La qualité des données nous a ensuite permis de mener une campagne d'observations répartie sur de nombreuses nuits entre juillet 2011 et décembre 2012. Le programme d'observation a été centré sur les systèmes binaires, cibles idéales pour évaluer dynamique et pouvoir de résolution de l'instrument. Dans ce but, j'ai donc développé un programme de réduction des images d'interférences permettant d'estimer les observables interférométriques et de les ajuster par un modèle binaire. J'ai ainsi traité une partie de la grande quantité de données acquises à l'observatoire Lick, et en particulier les données prises sur le système binaire Capella. Les résultats montrent que le compagnon est détecté, à une séparation de l'ordre de la limite de diffraction du télescope. De plus, nos données fournissent une mesure directe du rapport de flux spectral aux longueurs d'onde visibles, ce qui constitue une donnée totalement nouvelle pour ce système par ailleurs très bien connu. L'analyse que nous avons menée de ce spectre, par un ajustement de modèles d'atmosphères stellaires démontre que les données FIRST apportent des informations précieuses pour caractériser un système binaire et notamment contraindre les températures effectives des deux composantes. Enfin, le succès des observations conduites à l'observatoire Lick nous a permis d'initier une collaboration avec l'équipe SCExAO du télescope Subaru et nous avons ainsi eu l'opportunité d'y intégrer FIRST. La première lumière de FIRST sur le télescope Subaru a été obtenue le 25 juillet 2013. En conclusion, j'ai pu montrer la viabilité du projet FIRST sur le ciel et obtenir de premiers résultats originaux, démontrant la capacité de cette technique à restaurer la limite de diffraction aux longueurs d'onde visibles. Bien que la sensibilité de l'instrument soit encore limitée à ce jour, ces résultats sont prometteurs quant à son exploitation à venir sur le télescope Subaru et aux développements futurs de cette technique, notamment dans le contexte de la détection et caractérisation de systèmes exoplanétaires.