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Theses Year : 2021

Contrast-based tolerancing of space telescopes for exoEarth imaging

Tolérancement des télescopes spatiaux fondé sur le contraste pour l'imagerie d'exoTerres

Abstract

The question about the existence of life elsewhere in the universe than on Earth has engaged mankind for centuries and has now become a central question in astronomy. Assuming that life needs is a planet like Earth to exist, we want to use the direct imaging method to gain access to the light reflected by the atmospheres of such "exoEarths", potentially showing signs of biomarkers. These kinds of observations require large, space-based observatories with dedicated high-contrast instruments that allow us to detect and characterize small, rocky exoplanets at 1e-10 brightness ratios and angular separations of 0.1 arcsec. These instruments are very sensitive to any wavefront aberrations which can easily lead to false detections. My PhD thesis treats the impact of wavefront errors on the imaging performance of high-contrast instruments. It presents the development of a statistical forward model for the coronagraphic contrast, and its inversion for the analytical tolerancing of wavefront errors. Focusing on the case of segment-level aberrations and their impact on contrast, the application to a LUVOIR configuration shows that not all segments are subject to the same WFE constraints. A major part of my thesis consisted of the development of the HiCAT testbed, dedicated to system-level laboratory demonstrations for exoEarth-imaging instruments. Using the statistical tolerancing method, I performed experimental demonstrations on HiCAT to validate the model, and to derive contrast sensitivities to aberrations on a real segmented mirror. As part of this thesis, I developed the numerical tools necessary for the simulation and tolerancing of large space telescopes. This enabled the generalization of the theoretical model to other modal bases across a wide range of spatial frequencies, attributed to various physical aberration sources. A central question in the conception of large telescopes is their allowable wavefront error drift over time. I show how to address this temporal aspect of wavefront error stability with the analytical tolerancing model at the core of this work. This allowed me to make connections with other studies going on in parallel with my PhD and obtain concrete results for the required wavefront error limits for segment-level thermal stability on a large, segmented telescope.
La question de l'existence de la vie ailleurs que sur Terre a passionné l'Humanité depuis des siècles, et est devenu une interrogation centrale en astronomie. L'imagerie directe est une méthode permettant d'accéder à la lumière de l'étoile réfléchie par l'atmosphère d'une exoplanète. Le défi est cependant immense en particulier avec les planètes dites "telluriques" ressemblant à la Terre, ayant le plus de chance de présenter des biomarqueurs et donc d'être propices à l'apparition de la vie. Il s'agit d'observer un astre peu brillant (rapport de flux de 10^-10 par rapport à son étoile) et à une séparation angulaire de l'ordre de 0.1 seconde d'arc. Ce genre d'observation nécessite donc de larges observatoires spatiaux équipés d'instruments à haut contraste. Ces instruments sont extrêmement sensibles à la moindre aberration de front d'onde optique dégradant leur performance et menant à de fausses détections. Mon travail de thèse traite de l'impact de ces aberrations sur les capacités d'imagerie à haut-contraste de ces instruments. Je présente un modèle direct statistique pour décrire le contraste coronographique, ainsi que son utilisation pour produire le tolérancement analytique de ces aberrations. Je me focalise sur le cas des aberrations liées aux segments et à leur impact sur le contraste, puis j'applique cette méthode sur le futur observatoire LUVOIR. J'ai également grandement contribué au développement du banc expérimental HiCAT, installé au Makidon Laboratory à Baltimore, et dédié aux démonstrations en laboratoire de concepts utiles à l'imagerie à haut contraste. En utilisant la méthode précédente, j'ai effectué une démonstration de tolérancement sur le banc HiCAT et vérifié sa robustesse aux conditions réelles d'un système. J'ai enfin étendu mon analyse à d'autres bases modales pour décrire les aberrations, ce qui a permis d'étudier l'impact d'autres sources de perturbation. Une question centrale pour ces observatoires spatiaux reste les évolutions lentes des aberrations, je montre comment adresser cet aspect temporel avec l'outil de tolérancement au coeur de ce travail. Ce dernier travail a permis d'établir des connections avec d'autres études sur le sujet et de fixer des limites à la stabilité thermique pour un instrument comme LUVOIR.
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Dates and versions

tel-03546315 , version 1 (27-01-2022)
tel-03546315 , version 2 (09-03-2022)
tel-03546315 , version 3 (14-11-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03546315 , version 2

Cite

Iva Laginja. Contrast-based tolerancing of space telescopes for exoEarth imaging. Astrophysics [astro-ph]. Observatoire de Paris, Université Paris Sciences et Lettres (PSL); Office National d'Études et de Recherches Aérospatiales (ONERA); Space Telescope Science Institute (STScI); Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM), 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03546315v2⟩
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