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Thèse Année : 2021

Around g(2) in astrophysics

Autour de g(2) en astrophysique

Résumé

This work is linked to the development of a stellar correlometer operating in the visible spectrum, on the plateau de Calern, a site of the Observatoire de la Côte d’Azur for observations in astronomy/astrophysics. The dissertation has three parts: “Fundamentals”, “Realizations”, and “Explorations”. There are six main original results. The first part “Fundamentals” compares the field’s correlation functions g(1) (field-field), g(3/2) (intensity-field), and g(2) (intensity-intensity), for a Rician chaotic field (i.e. whose amplitude has a Rician probability density) created according to a devised modelling of the interstellar medium “Weigelt blob B” in the vicinity of the stellar system η Carinæ. The created field is the superposition of a coherent radiation, with a Rayleigh chaotic radiation (i.e., whose amplitude has a Rayleigh probability density) resulting from a multitude of free independent oscillators in non-relativistic Brownian motion in a support gas, with respect to an inertial observer. Three main achievements result from this study:The creation of a model based on a classical Newton’s law kinetic model. The analysis of this Newton’s law kinetic model is original, the description is based on Jump Markov Processes with Continuum States. Then, the devised model allows 1- the field’s correlation functions derivation for the normal transport process of the oscillators, and 2- the exploration on how these correlation functions would highlight an anomalous transport of the oscillators (some relevant anomalous transports in astrophysics are considered).The theoretical highlighting of the greater sensitivity of g(3/2) to non-classical fluctuations, and to a coherent component in the field. Furthermore, this correlation function has a better signal to noise ratio than g(2), in theory. The derivation of the signal to noise ratios uses a different but consistent method with the one of Hanbury Brown and Twiss. This proposed method seems to be more relevant for modern stellar correlometers.The theoretical confirmation of the advantage of an heterodyne (or hybrid) stellar correlometer measuring g(2), in terms of signal to noise ratio. The same remark on the signal to noise ratios’ derivation method than the one in (ii) applies. The part “Realizations” reports the experimental characterization of the correlometer, and the results of an on-star measurements campaign: The measurement of g(2) on the Hα emission line of the star P Cygni. It confirmed its Rayleigh chaotic nature and allowed to quantify the coherence time of this emission line.The measurement of the Earth - P Cygni’s distance through g(2) for two on-sky projected baselines. The part “Explorations” tests the potential in measuring g(2) in order to distinguish a quasi-unidimensional random laser from a Rayleigh chaotic radiation. It is a first step whose results are:1- The discovery of a transition ’below-above threshold’ in g(2) for the random fibered laser. 2- A first model depicting the field’s intensity above threshold with a homogeneous compound Poisson process, consistent with the measurement.
Ce travail est associé au développement d’un corrélomètre stellaire opérant dans le visible, sur le plateau de Calern, site d’observation astronomique de l’Observatoire de la Côte d’Azur. La thèse s’articule en trois parties : “Fondements”, “Réalisations”, et “Explorations”. Il y a six résultats principaux originaux.La première partie “Fondements” propose une comparaison des fonctions de corrélation g(1) (champ-champ), g(3/2) (intensité-champ), et g(2) (intensité-intensité), pour un champ chaotique ricien (i.e. dont l’amplitude possède une densité de probabilité de Rice) crée selon une modélisation proposée pour le milieu interstellaire “Weigelt blob B” voisin du système stellaire η Carinæ. Le champ résultant est une radiation cohérente superposée à une radiation chaotique Rayleigh (i.e. dont l’amplitude possède une densité de probabilité de Rayleigh) issue d’une multitude d’oscillateurs, libres et indépendants, en mouvement brownien non-relativiste dans un gaz support, relativement à un observateur inertiel. Cette étude a débouché sur :La création d’un modèle basé sur un modèle cinétique classique ab-initio. Le modèle cinétique ab-initio est analysé de manière originale, la description repose sur des processus markoviens à sauts avec continuum d’états. Le modèle crée permet alors 1- de calculer les fonctions de corrélation du champ résultant de la situation d’intérêt pour le processus de transport normal des oscillateurs, et 2- d’explorer comment ces fonctions de corrélation rendraient compte d’un transport anormal des oscillateurs (des transports anormaux pertinents en astrophysique sont considérés).La mise en évidence théorique de la sensibilité accrue de g(3/2) aux fluctuations non-classiques du champ, et à la composante cohérente dans un champ chaotique ricien. Cette fonction de corrélation présente de plus un meilleur rapport signal sur bruit statistique que g(2) en théorie. Le calcul des rapports signal sur bruit est mené avec une méthode (classique) différente et consistante avec celle d’Hanbury Brown et Twiss. La méthode de calcul semble plus adaptée aux corrélomètres stellaires modernes.La mise en évidence théorique de l’avantage du corrélomètre hybride (ou hétérodyne), mesurant également g(2), en terme de rapport signal sur bruit. Même remarque sur la méthode de calcul des rapports signal sur bruit qu’en (ii).La partie “Réalisations” rapporte la caractérisation en laboratoire du corrélomètre et les résultats d’une campagne de mesures astrophysiques :La mesure de g(2) sur la raie Hα de l’étoile P Cygni. Cette mesure a permis de confirmer sa nature chaotique Rayleigh, puis de caractériser quantitativement le temps de cohérence de cette raie.La mesure de la distance Terre - P Cygni par la mesure de g(2) pour deux bases projetées.La partie “Explorations” teste le potentiel de la mesure de g(2) pour identifier un laser aléatoire quasi-unidimensionnel relativement à un champ chaotique Rayleigh. Elle constitue une première étape dont les résultats sont :La découverte d’une transition dans g(2) en-dessous et au-dessus du seuil laser, et la création d’un modèle décrivant l’intensité du champ au-dessus du seuil via un processus de Poisson composé homogène, en accord avec la mesure.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03406783 , version 1 (28-10-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03406783 , version 1

Citer

Antonin Siciak. Autour de g(2) en astrophysique. Astrophysique [astro-ph]. Université Côte d'Azur, 2021. Français. ⟨NNT : 2021COAZ4039⟩. ⟨tel-03406783⟩
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