Contribution en Signal, Image et Instrumentation pour l

Contribution en Signal, Image et Instrumentation pour
l’Astronomie
Jean-Louis Prieur
To cite this version:
Jean-Louis Prieur. Contribution en Signal, Image et Instrumentation pour l’Astronomie .
Astrophysique stellaire et solaire [astro-ph.SR]. Universit´e Paul Sabatier (Toulouse), 2014.
HAL Id: tel-01104499
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Submitted on 19 Jan 2015
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Thèse d’habilitation à diriger des recherches
Contribution en Signal, Image
et Instrumentation pour l’Astronomie
Jean-Louis Prieur
Institut de Recherche en Astronomie et Planétologie
CNRS, UMR 5277
Université de Toulouse
Version 16 janvier 2015

Titre : "Contribution en Signal, Image et Instrumentation pour l’Astronomie”
Auteur : Jean-Louis Prieur
Résumé :
Dans ce manuscrit, je décris mes activités de recherche en traitement du signal, des images
et en l’instrumentation pour l’astronomie et je présente les projets que je compte développer
dans les prochaines années. Les thématiques que j’ai abordées sont très variées, et les appli-
cations ont concerné à la fois les étoiles doubles visuelles et spectroscopiques, les galaxies
elliptiques à coquilles et la turbulence atmosphérique et de profils de vitesse du vent par la
technique SCIDAR.
Parmi les principaux résultats astrophysiques auxquels j’ai contribué, on peut mentionner
la validation des modèles de fusion pour expliquer l’origine des coquilles, la mise en évidence
de matière noire dans les galaxies elliptiques, la constitution d’échantillons représentatifs et
l’étude détaillée de nombreuses binaires spectroscopiques, dont certaines à longue période, de
type FGKM, Am et d’étoiles à spectre composite. En particulier une étude approfondie d’un
échantillon d’une centaine d’étoiles Am a permis de mettre en évidence des effets de marées,
se manifestant par une circularisation des orbites et une synchronisation entre la rotation
axiale des étoiles et leur mouvement orbital. Notre étude a conduit à préciser la valeur de
paramètres importants pour la modélisation (rayons fractionnaires critiques) et nous avons pu
comparer les temps caractéristiques théoriques de circularisation et synchronisation avec les
âges estimés pour ces systèmes. L’accord est convenable pour le synchronisme mais moins
bon pour la circularisation. Les effets de marée observés semblent plus importants que ceux
prévus par la théorie, pour les étoiles de type Am, à enveloppe radiative.
En ce qui concerne les étoiles doubles visuelles, en collaboration avec un groupe de cher-
cheurs européens, nous avons obtenu plusieurs milliers de mesures avec PISCO et PISCO2,
en utilisant des techniques d’interférométrie des tavelures. Ces mesures très précises ont été
calibrées de façon absolue avec un réseau de diffraction, et ont une résolution atteignant la
limite de diffraction du télescope. Elles ont déjà conduit à la révision de quelques centaines
d’orbites. Les périodes orbitales étant très longues, souvent supérieures à des centaines d’an-
nées, l’observation des étoiles doubles est un programme de fond, qui nécessite régularité et
durée dans le temps. Ce programme ne peut se faire que dans le cadre d’une collaboration in-
ternationale et inter-générationnelle. Au fur et à mesure des publications, nos mesures ont été
intégrées dans la base de données spécialisée de l’observatoire de l’US. Navy de Washington
(USA), qui est ouverte à toute la communauté.
Sur le plan instrumental mes activités ont concerné principalement la conception, la réa-
lisation et le suivi de l’exploitation d’instruments comme PISCO et PISCO2, avec une part
importante consacrée au développement de logiciels temps réel pour le contrôle des instru-
ments, des détecteurs et le traitement des données. Les principaux critères que nous avons
retenus ont été “performance et fiabilité”, puisque ces instruments et logiciels sont utilisés,
pratiquement toutes les nuits de beau temps, depuis de nombreuses années (plus de 20 ans
pour PISCO).
Le traitement des données de PISCO m’a aussi conduit à développer des programmes
d’inversion de profils de turbulence atmosphérique à partir d’observation SCIDAR, qui peuvent
fonctionner en mode non supervisé et en temps réel. Ils permettent de restaurer des profils
de la turbulence (paramètre C2
N, seeing, rayon et temps de cohérence) et des paramètres du
vent en altitude (vitesse et direction) dans les couches turbulentes. Lorsque les observations

ont été obtenues en mode “SCIDAR généralisé”, ils permet de caractériser la turbulence dans
toutes les couches traversées, depuis l’intérieur de la coupole jusqu’à des altitudes de 20 à
23 km. J’ai aussi écrit des programmes de calcul d’orbites à partir de mesures de vitesses
radiales pour des systèmes à deux ou trois composantes. La difficulté de ce problème résidait
principalement dans l’irrégularité de l’échantillonnage des mesures. Enfin depuis quelques
années, je travaille sur des problèmes d’auto-calibration de phase pour la synthèse d’ouver-
ture en astronomie, et de calibration des réseaux GNSS (Global Navigation Satellite System)
en géodésie, auxquels mon principal collaborateur, A. Lannes (L2S, Paris), a apporté une
solution élégante et originale.
Pour les prochaines années, je voudrais travailler en collaboration avec des collègues,
mais aussi si possible avec la participation d’étudiants (stages niveau “master” ou “thèse”)
sur les projets suivants :
– projets “Instrumentaux” concernant (i) le transfert de PISCO sur le nouveau télescope
Epsilon de 1 m de l’OCA (Obs. Côte d’Azur), avec une automatisation de l’acquisition
et du traitement des données. (ii) l’automatisation des fonctions de PISCO2 sur la lu-
nette L76 de Nice, et (iii) le développement d’un logiciel de traitement pour le mode
“Shack-Hartmann” de PISCO.
– projets "Traitement du signal" portant sur (i) la mise en œuvre des méthodes de calibra-
tion proposées par A. Lannes pour la radio-astronomie et pour les réseaux GNSS. (ii)
et la classification non supervisée de sources détectées par le télescope spatial XMM-
Newton.
– projets “Astrophysique” concernant l’observation d’étoiles doubles pré-séquence prin-
cipale du diagramme HR et des naines rouges du voisinage solaire avec PISCO et
PISCO2, pour déterminer les orbites et les masses de ces étoiles, encore mal connues.

Title : "Contribution to Signal, Image and Instrumentation in Astronomy”
Author : Jean-Louis Prieur
Abstract :
In this manuscript, I describe my research work concerning signal and image processing,
and instrumentation for astronomy. I also present the projects I intend to develop in the next
few years. The thematic areas I dealt with were numerous and diverse, and the applications
concerned, among others, visual and spectroscopic double stars, tidal effects in Am-type stars,
shell galaxies, atmospheric turbulence and wind profiles with the SCIDAR technique.
Among the main astrophysical results to which I contributed, are the validation of mer-
ging models to explain the origin of shells around elliptical galaxies, the evidence of the
presence of dark matter in those galaxies, the detailed study of many spectroscopic binaries
with the constitution of representative samples, including long period orbit systems contai-
ning FGKM Am or composite spectrum stars. In particular, a thorough study of a sample of
a hundred Am-type stars highlighted the influence of tidal effects, which contributed to cir-
cularizing the orbits and to synchronizing the spin and orbital motion in many systems. The
fractional critical radii for circularisation and synchronisation that we have determined for our
sample were found to be compatible with Zahn’s theoretical models. We have also compa-
red the estimated ages of our systems with the theoretical circularisation and synchronisation
characteristic times, also predicted by Zahn. We found a fair agreement for the synchronism,
but for circularisation, the tidal effects we have observed are more important than what was
expected by the theory, for Am-type stars with a radiative envelope.
As regards the visual binary stars, in collaboration with a group of European researchers,
we have obtained a few thousand measurements with the PISCO and PISCO2 instruments,
by using the speckle interferometry technique. Those accurate measurements have been ca-
librated in an absolute way with a diffraction grating. Their spatial resolution often reached
the diffraction limit of the telescope. They have already led to the revision of a few hundred
orbits. As their orbital periods are very long, and generally exceed a few hundred years, the
observation of the visual double stars is a substantial program, which requires reliability and
regularity over a very long period of time. This program needs an international collaboration
that has been already active since several generations. As soon as they have been published,
our measures were incorporated into the double star data base of the US. Navy in Washington
DC, which is open to the whole scientific community.
With regard to instrumentation, my activities mainly concerned the designing, construc-
tion and operation of the PISCO and PISCO2 focal instruments. A substantial part was de-
voted to real-time software developments for the remote control of the instruments and the
detectors, and the subsequent data processing. The main selected criteria were “performance
and reliability”, both for hardware and software developments. Indeed those instruments and
programs have been used during nearly every clear night, for many years (more than 20 years
for PISCO, and already five years for PISCO2).
The processing of PISCO data also lead me to developing programs for atmospheric tur-
bulence profile inversion from SCIDAR observations, that can be operated in real-time and
in a non-supervised mode. Those programs allow the restoration of turbulence profiles (C2
N
parameter, seeing, coherence radius and coherence time) and of the wind parameters (velo-
city and direction) in the turbulent layers. When the observations are obtained in “generalized
SCIDAR” mode, we can determine those parameters in all the turbulent layers that have been