Interférométrie différentielle avec l'instrument As Mu BEa Re / Ve La Te In tr lt on i om m co m ic al ry rg le te e sc rf op er b in om e er e Florentin Millour Dirigé par Romain G. Petrov et Alain Chelli te r Plan Contexte Pourquoi la HRA ? L'interférométrie stellaire optique et AMBER Traitement du signal et instrumentation Les observables d'AMBER L'apport potentiel de la phase différentielle Les vraies données Les étoiles chaudes Car Arae 2 Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 3 Pourquoi la haute résolution angulaire ? 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 4 Pourquoi la HRA ? Un exemple : Car Étoile de type LuminousBlueVariable L = 4.106 Lsoleil Perte de masse 5.10-3 MSoleil / an Vent, V > 500 km/s Ex-candidat M > MEddington Nébuleuse de l'Homunculus (1841) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 5 Pourquoi la HRA ? Un exemple : Car AAT (4m), limité par le seeing 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 6 Pourquoi la HRA ? Un exemple : Car HST (2m50), dans l'espace AAT (4m), limité par le seeing 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 7 Pourquoi la HRA ? Un exemple : Car HST (2m50), dans l'espace AAT (4m), limité par le seeing 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 8 Pourquoi la HRA ? Un exemple : Car SAO (6m), interférométrie des tavelures HST (2m50), dans l'espace 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 9 Pourquoi la HRA ? Un exemple : Car C VLTI/VINCI (64m) 1 mas D SAO (6m) B A Weigelt & co. 1988 Van Boekel & co. 1998 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 10 Pourquoi la HRA ? Un exemple : Car C VLTI/VINCI (64m) 1 mas D SAO (6m) B A Weigelt & co. 1988 Van Boekel & co. 1998 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 11 Contexte Plan Pourquoi la HRA ? L'interférométrie stellaire optique et AMBER Traitement du signal et instrumentation Les observables d'AMBER L'apport potentiel de la phase différentielle Les vraies données Les étoiles chaudes Car Arae 2 Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 12 AMBER et l'interférométrie 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 13 Faisceaux collimatés et cophasés de deux télescopes Détecteur Télescopes L'interféromètre à 2T 0 u0 = B0/ u I u , , D=o u ,×[2 ⊗ u0, D⊗ u , D ⊗ u u−u0, D ] 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 14 Le cophasage OA OA 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 15 Le cophasage OA OA 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 16 L'interféromètre monomode 2T OA-1 Détecteur Télescopes Filtrage spatial Surveillance photométrique OA-2 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 17 Le spectro-interféromètre monomode 2T Détecteur Télescopes Spectrographe Anamorphose 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 18 Le spectro-interféromètre monomode 3T Détecteur Télescopes Trois télescopes 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 19 AMBER Détecteur VLTI 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 20 AMBER J (1.1m), H (1.5m) et K (2.1m) simultanés S. F. K S. F. H 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 21 S. F. J AMBER Anamorphose 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 22 AMBER Rockwell Hawaii, det = 12e­ R = 35, 1500 ou 12000 Spectrographe Détecteur 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 23 Le VLTI UT1 UT2 UT3 UT4 Labo. Focal AT 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 24 200m Le VLTI 0m 3 1 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 25 Contexte Plan Pourquoi la HRA ? L'interférométrie stellaire optique et AMBER Traitement du signal et instrumentation Les observables d'AMBER L'apport potentiel de la phase différentielle Les vraies données Les étoiles chaudes Car Arae 2 Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 26 Les observables d'AMBER 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 27 L'équation interférométrique multiaxiale monomode ik : Flux mesuré par pixel N : Flux de l'objet par canal spectral (spectre instantané) aik : Structure spatiale du faisceau pi : Transmission instantanée de chaque télescope f1,2 : Fréquence spatiale de codage des franges Voi,j : Visibilité de l'objet VIi,j : Visibilité instrumentale oi,j : Phase de l'objet Ii,j : Phase instrumentale Voies photométriques Voie interférométrique pi,j : Phase de piston achromatique ci,j : Phase de piston chromatique Figure de franges : N tel Ntel i=1 i j ik =∑ N pi aik ∑ 2NV iI , j V io, j pi aik p j akj cos2 f i , j k I cpo mesurée sur M images 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 28 L'algorithme P2VM Amélioration RSB ? => Réduction du nombre de pixels => Pb avec traitement de Fourier Voies photométriques Voie interférométrique 0 1 1 21 23 32 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 29 3 u Flux (e-) Flux (e-) L'algorithme P2VM #Pixe l #Pixe l 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 30 Flux (e-) Flux (e-) L'algorithme P2VM #Pixe l #Pixe l 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 31 L'algorithme P2VM C=R+iI est déterminé en minimisant : ce qui donne : [ ] [] −1 R ]=[ R] [m =[ P2VM]×[m P2VM] × k k I I X = P2VM "franges instrumentales" Données nettoyées Multiplication matricielle Observable (flux cohérent complexe) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 32 L'algorithme P2VM Est valable si : L'instrument est stable entre la calibration et les observations Le RSB sur la P2VM est suffisant Les canaux spectraux sont suffisament étroits On connaît bien le détecteur On connait bien la calibration spectrale 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 33 Toutes les observables spectro-interférométriques d'AMBER Flux cohérent complexe : i, j C =2 N V i, j e i i,c j i,p j i , j =Ri , j i I i , j mesuré sur M images Spectre : S = N() Visibilité : Vi,j = |Ci,j()| / N() Clôture de phase : 123 = atan<C1,2C2,3C*1,3> Phase différentielle : Visibilité différentielle : Voies photométriques Voie interférométrique i,jdiff Vi,jdiff “Clôture” des phases différentielles : 123diff 1,2diff 2,3diff 3,1diff 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 34 Le piston achromatique p=2 =2 〈 1 2−1 = 2 2− 1 〉 Longueur d'onde (nm) Phase due à la DDM : 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 35 Le piston achromatique Méthode par minimisation du 2 Méthode par différences finies = arctan 〈 C 2k1 C 〈 2k 1−2k 〉 Utilisée en temps réel sur l'instrument 〉 ∗ 2k k k =∑ 2 [ ℑ C e 2 2i 2 ℑ [ C] ] Utilisée pour le traitement des données 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 36 La phase différentielle C i, j nop t ,=C i, j t , ×e i , j t −2i ,j ,j C iref t , k = 〈 C inop t , m 〉 ≠ k W i, j 〈 k = C i, j nop t , C i, j ref m ∗ t , k 〉 t N = i,j i,j N −1 dif k =arg W k a=2 io, j a i, j N = o k b i, j b= 〈 o 〉 N −1 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 37 La phase différentielle Phase (radians) C i, j nop t ,=C i, j t , ×e i , j t −2i ,j ,j C iref t , k = 〈 C inop t , m 〉 ≠ k W i, j 〈 k = C i, j nop t , C i, j ref m ∗ t , k 〉 t N = i,j i,j N −1 dif k =arg W k a=2 io, j a i, j N = o k b i, j b= 〈 o 〉 N −1 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 38 La visibilité différentielle C i, j nop t ,=C i, j t , ×e i , j t −2i ,j ,j C iref t , k = 〈 C inop t , m 〉 ≠ k W i, j 2 k = V 〈 C i, j dif i, j nop i,j ref t , C ∣C i, j ref ≃V ∗ t , k 2 t ,k ∣ i, j 2 i,j o k =ℜ W i,j o m k / 〈 V k 〉 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 39 〉 t La visibilité différentielle C i, j nop t ,=C i, j t , ×e i , j t −2i ,j ,j C iref t , k = 〈 C inop t , m 〉 ≠ k W i, j 2 k = V 〈 C i, j dif i, j nop i,j ref t , C ∣C i, j ref ≃V ∗ t , k 2 t ,k ∣ i, j 2 i,j o k =ℜ W i,j o m k / 〈 V k 〉 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 40 〉 t Plan Contexte Pourquoi la HRA ? L'interférométrie stellaire optique et AMBER Traitement du signal et instrumentation Les observables d'AMBER L'apport potentiel de la phase différentielle Les vraies données Les étoiles chaudes Car Arae 2 Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 41 L'apport de la phase différentielle en interférométrie stellaire optique 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 42 Ajustement de modèles Nombre Ns de sources ponctuelles Inconnues I : 2Ns-2 positions et NsN flux Mesures M : Visibilités, clôture de phase, etc. => Annulation du nombre de degrés de libertés du problème D=M–I=0 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 43 Ajustement de modèles 3T, 2 observations Ns V2 N 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 44 Ajustement de modèles 3T, 2 observations Ns V2 V2 + N 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 45 Ajustement de modèles 3T, 2 observations Ns V2 V2 + V2 + 123 N 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 46 Ajustement de modèles 3T, 2 observations Ns V2 V2 + V2 + 123 V2 + 123 + diff N 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 47 Reconstruction d'images 3T, 1 nuit d'observation N2pix V2 V2 + V2 + 123 V2 + 123 + diff N 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 48 Plan Contexte Pourquoi la HRA ? L'interférométrie stellaire optique et AMBER Traitement du signal et instrumentation Les observables d'AMBER L'apport potentiel de la phase différentielle Les vraies données Les étoiles chaudes Car Arae 2 Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 49 Les vraies données 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 50 Contraste instrumental sur le ciel Visibilité intrumentale au labo : Visibilité attendue sur le ciel : 0.85 0.60 SANS FINITO : Visibilité moyenne UT sur le ciel : 0.20 Visibilité moyenne AT sur le ciel : 0.60 “Vibrations VLTI / UT" Amplitude de DDM : entre 0.2 et 1m Fréquence : >20Hz => Besoin d'une correction de l'atténuation du contraste ET/OU Sélection d'images 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 51 Vibrations des UT : l'effet sur le contraste Calibrateur : V i, j mes , G =V i, j o −2 e 2 2G 2 G= 〈 2 V × −log 2 4 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 52 2 〉 Vibrations des UT : l'effet sur le contraste Calibrateur : V i, j mes , G =V i, j o −2 e 2 2G 2 G= 〈 2 V × −log 2 4 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 53 2 〉 Vibrations des UT : le flux 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 54 Puissance (m2) Conan & co. 1995 Puissance (normalisée) Vibrations des UT : le flux Fréquence (Hz) Kervella 2005 Fréquence (Hz) -2/3 -11/3 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 55 Vibrations des UT : la DDM 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 56 Puissance (m2) Conan & co. 1995 Puissance (normalisée) Vibrations des UT : la DDM Fréquence (Hz) Kervella 2005 Fréquence (Hz) -2/3 -8/3 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 57 Sélection des images Simulation de mesure de visibilité => évaluation de l'erreur introduite par des variations des conditions => évaluation de l'effet de sélection sur les données Pas de sélection 5% des meilleures images (RSB) V V 10% 10% 5% 5% 1% 1% 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 58 0,40 0,05 Sélection, biais et fonction de transfert 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 59 0,55 0,05 Sélection, biais et fonction de transfert 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 60 Biais sur la phase 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 61 Bilan actuel Moyenne résolution (R=1500) Étoile brillante (K=3.5) Erreur sur les observables Courant Spécifications Visibilité 0.05 0.01 Visibilité différentielle 0.01 0.01 Clôture de phase (rad) 0.05 0.02 Phase différentielle (rad) 0.01 0.01 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 62 Bilan actuel Basse résolution (R=35) Étoile brillante (K=5) Erreur sur les observables Courant Spécifications Visibilité ? 0.01 Visibilité différentielle ? 0.01 Clôture de phase (rad) 0.01 0.002 Phase différentielle (rad) 0.001* 0.001 * dispersion chromatique : amplitude ~ de 0.1 rad à 1 rad 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 63 Plan Contexte Pourquoi la HRA ? L'interférométrie stellaire optique et AMBER Traitement du signal et instrumentation Les observables d'AMBER L'apport potentiel de la phase différentielle Les vraies données Les étoiles chaudes Car Arae 2 Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 64 Étude d'étoiles chaudes 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 65 Étude d'étoiles chaudes MWC 297 (Malbet et al. A&A, accepté) Carinae (Weigelt et al. A&A, accepté) Arae (Meilland et al. A&A, accepté) Canis Majoris (Meilland, Millour et al. A&A, accepté) ² Velorum (Millour et al. A&A, accepté) RS Ophucius (Chesneau et al. A&A, accepté) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 66 Plan Contexte Pourquoi la HRA ? L'interférométrie stellaire optique et AMBER Traitement du signal et instrumentation Les observables d'AMBER L'apport potentiel de la phase différentielle Les vraies données Les étoiles chaudes Car Arae 2 Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 67 Car 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 68 Car VLT/NACO VLTI/VINCI 1 mas Chesneau & co., 2005 Van Boekel & co. 1998 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 69 Car VLTI/VINCI VLT/NACO 1 mas VINCI AMBE R Chesneau & co., 2005 Van Boekel & co. 1998 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 70 Car 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 71 Car Weigelt & co., A&A 2007 (sous presse) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 72 Car Weigelt & co., A&A 2007 (sous presse) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 73 Car Weigelt & co., A&A 2007 (sous presse) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 74 Contexte Plan Pourquoi la HRA ? L'interférométrie stellaire optique et AMBER Traitement du signal et instrumentation Les observables d'AMBER L'apport potentiel de la phase différentielle Les vraies données Les étoiles chaudes Car Arae 2 Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 75 Arae 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 76 Étoiles Be Étoiles massives B L ~ 103 - 104 Lsoleil Raies de Balmer au moins une fois en émission Excès IR Enveloppe circumstellaire Perte de masse ~ 10-6 Msoleil / an 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 77 Réduction des données : F. Millour et M. Vannier, modélisation SIMECA par Anthony Meilland et Philippe Stee Arae Continu Raie Vent polaire Disque équatorial Meilland, Stee, Vannier, Millour & co., A&A 2007 (sous presse) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 78 Réduction des données : F. Millour et M. Vannier, modélisation SIMECA par Anthony Meilland et Philippe Stee Arae Résultat principal : 1° détection directe de la rotation keplerienne du disque Continu V = V0 r - Raie Vent polaire Disque équatorial Meilland, Stee, Vannier, Millour & co., A&A 2007 (sous presse) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 79 Plan Contexte Pourquoi la HRA ? L'interférométrie stellaire optique et AMBER Traitement du signal et instrumentation Les observables d'AMBER L'apport potentiel de la phase différentielle Les vraies données Les étoiles chaudes Car Arae 2 Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 80 ² Velorum 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 81 4­6 ma s ² Velorum = 5.1±0.9 mas PA= 66±15° WR/O ~ 1 Étoile double WR + O (Smith 1968) + Collision vent-vent (St-Louis 1993) + Poussière ? 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 82 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 83 Clôture de phase Phase différentielle Visibilité Spectre normalisé Visibilité Visibilité absolue Clôture de phase Spectre normalisé Phase différentielle Couverture (U,V) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 84 Modèle géométrique utilisé "Etoile double + Composante diffuse" ujk⋅ −2i 1R c R s e C jk = 1R c R s V jk λ =∣C jk λ ∣ dif V jk λ = V jk λ 〈V jk λ 〉 λ ψ 123 λ =arctan C12 C23 C13 dif φ jk λ =arctan C jk e ∗ −2i π 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 85 δ λ Modèle géométrique utilisé "Etoile double + Composante diffuse" ujk⋅ −2i 1R c R s e C jk = 1R c R s V jk λ =∣C jk λ ∣ dif V jk λ = V jk λ 〈V jk λ 〉 λ ψ 123 λ =arctan C12 C23 C13 dif φ jk λ =arctan C jk e ∗ −2i π 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 86 δ λ flux as 4 ­ 6 m Simulations hydrodynamiques Follini et al. (1999, 2002) temps densité Structure réelle de l'ensemble nettement plus complexe : 3° composante ou au moins un fond diffus 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 87 Ajustement dans le continu Paramètres de binaire stables = 3.65±0.12 mas PA = 73±13° WR/O = 0.79±0.12 Mauvais ajustement des visibilités (2) Continu peut contribuer jusqu'à 20% du flux 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 88 Modèles de spectre utilisés Spectre de WR135 modifié (Dessart & co. 2000) Bibliothèque de spectres d'étoiles O (De Marco & co. 2000) Continu diffus (=> poussières) Modèle Mesure AMBER 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 89 Visibilité Spectre normalisé O7.5III Continu < 5% Clôture de phase Phase différentielle WC8 (WR135 modifié) = 3.64+0.09­0.40 mas PA= 73+17­14° WR/O=0.75+0.1­0.08 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 90 Continu < 5% Clôture de phase 3.62 ma 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 91 s 3.62 ma s Visibilité Spectre normalisé Phase différentielle = 3.62+0.11­0.30 mas PA= 73+9­11° WR/O=0.79+0.06­0.12 Paramètres de la binaire DAMBER = 368+38­13pc Dhipparcos = 258+41­31pc 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 92 Conclusions (avec une seule observation AMBER !) Estimation directe de la distance du système Mesure d'un point de l'orbite visuelle Test de modèles d'étoile WR Détection d'une composante supplémentaire : => collision vent-vent ? Millour & co., A&A 2007 (sous presse) 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 93 Résumé de mon travail de thèse Instrument participation aux tests et validation en labo et sur le ciel Traitement du signal Observables différentielles d'AMBER Sélection d'images Etoiles chaudes LBV : Car Be : Arae, CMa WR : 2 Velorum Exoplanètes Développement de modèles Observations de Tau Boo 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 94 Et l'avenir (à Bonn) ? Observations 2 Vel. supplémentaires Étude d'étoiles binaires B Spectro­imagerie interférométrique Exoplanètes / haute dynamique Traitement des données à bas flux 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 95 Merci de votre attention 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 96 22/09/16 : Soutenance de thèse de Florentin Millour, 97