Stellar UV and visible spectropolarimetry from space
Spectropolarimétrie stellaire UV et Visible depuis l’espace
Résumé
Over the last few decades, magnetic fields have been detected in almost all kinds of stars. This led to innovative studies on the mapping of magnetic fields and their impact on the circumstellar environment. To go further, we need to use spectroscopy and polarimetry together, in the UV and visible range. The UV domain is used to study the stellar wind and stellar environment, whereas the visible range allows to study the surface of the star. UV+visible spectropolarimetry enables the global study of magnetospheres. This has to be done over at least one rotation period of the star. Therefore, we need to go to space in order to see the UV range and to obtain uninterrupted observations on a complete stellar rotation period.
The international consortium UVMag has been created in 2010 to discuss, study and promote a space mission for the study of stellar magnetospheres using simultaneous UV and visible space spectropolarimetry. From the technical point of view, pure spectroscopy in space, both in the UV and visible ranges, has already been successfully used, for example on IUE, and would be very efficient with current detectors and technologies. On the other hand, the UV+visible spectropolarimeter is the most ambitious instrumental challenge for a future space mission. Indeed, until now, no such optical spectropolarimeter has flown on a space mission, despite the fact that the French (particularly the LESIA and IRAP laboratories) are the specialists for such instruments (such as ESPaDOnS at CFHT or Narval at TBL).
The first part of my thesis consisted in elaborating the optical design of the polarimetric module for the spectropolarimeter of the space mission Arago, in the framework of the UVMag consortium. I studied various innovative concepts that could be adapted to the specific constraints of this instrument. The specifications indeed show the need for a unique polarimeter covering the complete spectral range [119-888] nm. Moreover, the usual compacity, lightness and robustness constraints of a space instrument are added to these specifications. I focused my work on 2 different polarimeter concepts, a first one based on the polarimetric module of the X-shooter instrument using a temporal modulation and an achromatization of the extraction efficiencies of the Stokes parameters, and a second one based on spatial modulation of the polarization, offering a static polarimeter. I adapted these 2 concepts to the specific constraints of Arago and integrated them to the complete optical design of the instrument. The first concept, using temporal modulation, has been chosen as the baseline for the instrument proposed to ESA for the Cosmic Vision calls M4 and M5.
The goal was then to demonstrate the feasibility of the two concepts. In practice, it meant to increase the readiness level of the prototypes sufficiently to be used on a space mission, i.e. show in the laboratory a working prototype of the polarimetric module. The optical bench for the static prototype using spatial modulation showed very encouraging results. I indeed managed to retrieve the expected intensity modulation and the comparison between the theory and my simulations was excellent. I obtain a 10-2 accuracy on the polarisation state measurement.
The optical bench using the prototype with temporal modulation has then been set up to compare its performances with the first concept. The first results show Stokes parameters measurement with an accuracy of 10-3. It confirms the choice of this concept as the baseline for Arago. The latter polarimeter has then been adapted to a 60 cm telescope and a high-resolution spectrograph to measure actual stellar magnetic fields, and obtain an even more complete technological demonstration of the concept on real stars.
Ces dernières décennies, des champs magnétiques ont été détectés dans quasiment tous les types d'étoiles. Ces découvertes ont donné lieu à des études innovantes sur la cartographie des champs magnétiques et leur impact sur l'environnement stellaire. Pour aller encore plus loin il est nécessaire d'allier la spectroscopie à la polarimétrie, dans l'UV et le visible. L'UV permet d'étudier les vents stellaires et l'environnement circumstellaire, tandis que le visible permet d'étudier la surface de l'étoile. La spectropolarimétrie UV+visible permet ainsi d'étudier les magnétosphères dans leur globalité. Ceci doit être fait sur au moins une période complète de rotation de l'étoile. Pour cela, il faut aller dans l'espace, à la fois pour atteindre le domaine UV et pour obtenir des observations ininterrompues sur une période de rotation stellaire complète.
Le consortium international UVMag a été créé en 2010 pour discuter, étudier et promouvoir une mission spatiale pour l'étude des magnétosphères stellaires via de la spectropolarimétrie spatiale dans les domaines UV et visible simultanés. D'un point de vue technique, la spectroscopie spatiale pure, y compris dans l'UV, a déjà été utilisée avec succès, par exemple sur IUE, et serait très performante avec les détecteurs et les technologies disponibles aujourd'hui. Par contre, le spectropolarimètre UV+visible est la partie instrumentale la plus ambitieuse pour une future mission spatiale. En effet, alors que les français (en particulier le LESIA et l'IRAP) sont les spécialistes de ce type de spectropolarimètres dans le visible pour des télescopes au sol (comme ESPaDOnS au CFHT ou Narval au TBL), aucun instrument de ce type n'a encore été embarqué sur une mission spatiale, encore moins en UV.
La première partie de ma thèse consistait à concevoir le design optique du module polarimétrique pour le spectropolarimètre de la mission Arago, dans le cadre du consortium UVMag. J’ai donc étudié et recherché différents concepts innovants qui pourraient s’adapter aux contraintes très particulières de cet instrument. En effet, les spécifications imposent l’utilisation d’un unique polarimètre pour tout le domaine spectral [119-888] nm. Les contraintes du spatial s’ajoutent à cela avec un besoin de compacité, légèreté et robustesse. Je me suis concentré sur 2 concepts de polarimètre différents, un premier basé sur le module de polarisation de l’instrument X-Shooter avec une modulation temporelle de la polarisation et une achromatisation des efficacités d’extraction des paramètres de Stokes et un second basé sur une modulation spatiale de la polarisation, permettant d'obtenir un polarimètre statique. J’ai adapté ces 2 concepts aux spécificités d’Arago et intégré ces 2 systèmes au design optique global de l’instrument. Le premier concept de modulation temporelle a été choisi pour l’instrument d'Arago qui a été soumis à l’ESA dans le cadre des appels Cosmic Vision M4 et M5.
Dans un deuxième temps, l’objectif de ma thèse était de prouver la faisabilité des concepts évoqués plus haut. En pratique, il s'agissait d'amener les deux prototypes à un niveau de maturité suffisant pour être embarqués sur une mission spatiale, c’est-à-dire démontrer en laboratoire le fonctionnement du module de polarisation. Le banc optique pour le prototype à modulation spatiale statique, montre des résultats très encourageants. En effet, je retrouve la modulation de polarisation attendue et la comparaison avec la théorie et mes simulations est excellente. J’obtiens une précision de mesure de l’état de polarisation de 10-2.
Le banc optique concernant le prototype à modulation temporelle a été monté pour comparer ses performances avec le premier. Les premiers résultats donnent des précisions de mesure des paramètres de Stokes de l’ordre de 10-3. Ceci confirme donc le choix de ce concept comme baseline pour Arago. Ce polarimètre à modulation temporelle a ensuite été adapté à un télescope de 60 cm et à un spectrographe haute-résolution pour mesurer des champs magnétiques stellaires et ainsi obtenir une démonstration technologique de ce concept encore plus complète sur des étoiles réelles.
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