High-contrast direct imaging of exoplanets and circumstellar disks: from the self-coherent camera to NICI data analysis
Haut-contraste pour l'imagerie directe d'exoplanètes et de disques: de la self-coherent camera à l'analyse de données NICI
Résumé
Out of the 1800 exoplanets detected to date, only 50 were by direct imaging. However, by allowing the observation of circumstellar disks and planets (sometimes simultaneously around the same star, as in the case of β-pictoris), this method is a fundamental tool for the understanding of planetary formation. In addition, direct access to the light of the detected objects allows spectroscopy, paving the way for the first time to the chemical and thermal analysis of their atmosphere and surface. However, direct imaging raises specific challenges: accessing objects fainter than their star (with a ration up to 10^-8 to 10^-11), and separated only by a fraction of arc-second. To obtain these values, several techniques must be implemented. A coronagraph, used in complement with a deformable mirror and active
optical aberration correction methods, produces high-contrast images, which can be further processed by differential imaging techniques. My PhD thesis work took place at the intersection of these techniques. At first, I analyzed, in simulation and experimentally on the THD –french acronym for very high contrast– bench of the Paris Observatory, the performance of the self-coherent camera, a wavefront sensing technique used to correct the optical aberrations in the focal plane. I managed to obtained high-contrast zones (called dark holes) with performance up to 3.10^-8 between 5 and 12 λ/D, in monochromatic light. I also started an analysis of the performance in narrow spectral bands. In the second part of my thesis, I applied the latest differential imaging techniques to high contrast images from another coronagraphic instrument, NICI. The processing of these data revealed unprecedented views of the dust disk orbiting HD 15115.
Sur les 1800 exoplanètes détectées à ce jour, seulement une cinquantaine l’ont été par imagerie directe. Cependant, en permettant l’observation de disques circumstellaires et de planètes (parfois simultanément autour d’une même étoile, comme dans le cas de β-pictoris), cette méthode est un outil fondamental pour la compréhension des différentes étapes de la formation des systèmes planétaires. En outre, l’accès direct à la lumière des objets détectés permet leur spectroscopie, ouvrant la voie pour la première fois à l’analyse chimique et thermique de leur atmosphère et surface. Cependant, l’imagerie directe demande la résolution de défis spécifiques : il s’agit d’accéder à des objets dont le contraste peut atteindre 10^-8 à 10^-11 avec leur étoile hôte, et séparés seulement d’une fraction d’arc seconde. Pour obtenir ces valeurs, plusieurs techniques doivent être mises en œuvre. Un coronographe, utilisé avec des techniques de correction active des aberrations optiques et un miroir déformable pour augmenter ses performances, produit des images haut-contrastes, qui peuvent être traitées ultérieurement grâce à des méthodes d’imagerie différentielle. Mon travail de thèse se situe à l’intersection de ces techniques. Dans un premier temps, j’ai analysé, en simulation et expérimentalement sur le banc THD –Très haute dynamique– de l’Observatoire de Paris, les performances de la self-coherent camera, une technique d’analyse en plan focal des aberrations optiques. Cette analyse m’a permis d’atteindre des zones de haut contraste (appelées dark holes) avec des performances meilleures que 3.10^-8 entre 5 et 12 λ/D, en lumière monochromatique. J’ai étendu cette étude à des bandes spectrales étroites. Dans une seconde partie de ma thèse, j’ai pu analyser des images haut-contraste issues d’un instrument coronographique, NICI. Le traitement de ces données en utilisant des techniques récentes d’imagerie différentielle m’a permis d’obtenir des images inédites du disque de poussière orbitant HD 15115.