Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales - BP 72 - 92322 Châtillon CEDEX www.onera.fr Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Université Aix-Marseille & CNRS, UMR7326 38 rue F. Joliot-Curie, 13388 Marseille Cedex 13, FRANCE www.lam.fr PROPOSITION DE SUJET DE THESE TITRE : Nouveaux outils de traitements de données en Optique Adaptative à Grand Champ. Laboratoire d’accueil: Laboratoire d’Astrophysique de Marseille ONERA – Chatillon Financement : ONERA – ANR (Financement acquis) Responsables ONERA : Thierry Fusco (co-directeur de thèse) Tél. : (+33) 1.46.73.47.37 Fax : (+33) 1.46.73.41.71 Mail : [email protected] Directeur de thèse universitaire envisagé : Thierry Fusco Adresse : ONERA / Laboratoire d’Astrophysique de Marseille Tél. : (+33) 4.91 .05.59.23 Fax : (+33) 4.91.62.11.90 Mail : [email protected] Responsable LAM : Benoit Neichel Adresse : Laboratoire d’Astrophysique de Marseille Tél. : (+33) 4.91 .05.69.93 Fax : (+33) 4.91.62.11.90 Mail : [email protected] RÉSUMÉ Contexte: L'Optique Adaptative (OA) est une technique qui permet de compenser les aberrations optiques introduites par la turbulence atmosphérique, et ainsi restaurer la résolution angulaire des grands télescopes au sol. Aujourd'hui, tous les grands télescopes optiques utilisés en astronomie sont équipés de systèmes d'OA, et certaines des découvertes majeures récentes ont été obtenues grâce à l'OA. Si les systèmes d’OA permettent d’obtenir des images d’une qualité sans précédent, son application pour de nombreux cas scientifique reste limitée. En effet, l’OA a un fonctionnement optimal sur des objets brillants et peu éloignés de l’objet d’asservissement. En OA dites « classique » il est indispensable d’utiliser des étoiles suffisamment brillantes (typiquement mv < 15) pour réaliser les mesures d’aberration sur le front d’onde. Malheureusement, dans de nombreuses applications (et particulièrement en astronomie extra-galactique) il est difficile de trouver des objets d'intérêt suffisamment proches d’une de ces étoiles. La couverture du ciel, c’est-à-dire le pourcentage du ciel que l’on peut corriger avec l’optique adaptative est donc très limité. L’autre limitation fondamentale de l’OA est due à la répartition verticale de la turbulence dans le volume d’atmosphère, qui limite le champ corrigé à quelques dizaines de secondes d’arc. En conséquence, les instruments actuels d’OA, sont restreints à l'étude d'objets relativement brillant, et de petite taille. Une nouvelle génération d'OA, dites OA grand champ, tend à remédier à ces limitations. Pour cela, les OA grand champs utilisent des techniques tomographiques (comme en médecine) qui permettent de reconstruire le volume de turbulence atmosphérique en temps réel à partir de la mesure des perturbations dans plusieurs directions. Par ailleurs, l’utilisation d’étoiles lasers artificielles permet d’augmenter significativement la couverture du ciel dans les régions dépourvues d’étoiles naturelles brillantes. La combinaison de la tomographie et des étoiles lasers permet une correction sur des champs significativement plus grand, et ouvre la voie à de nouveaux cas scientifiques pour l’OA. DRH/ECFE/octobre2007 Le premier système d'OA grand champ vient d'être mis en marche au télescope Gemini-Sud, au Chili. Le système, nommé GeMS, permet d'obtenir des images à la limite de diffraction du télescope de 8m, dans un champ 10 à 20 fois plus grand que les systèmes précédents. GeMS est le précurseur d'une série d'instruments qui devraient voir le jour dans un futur proche. Par exemple, L'European Southern Observatory (ESO) travaille actuellement avec les laboratoires européens à la conception et la réalisation de systèmes similaires pour le Very Large Telescope (VLT) au Chili. Par ailleurs, d'ici à l'horizon 2020, trois télescopes géants dont les diamètres atteindront 40m verront le jour, et tous seront équipés d'OA à grand champ. Ce type d’OA tend donc à devenir un nouveau standard pour les observations astronomiques. Malgré les immenses progrès dans le domaine au cours des 20 dernières années, la correction apportée par l'OA reste néanmoins partielle et les traitements numériques a posteriori peuvent améliorer, parfois de manière spectaculaire, la qualité des images enregistrées. Ainsi, la méthode de déconvolution MISTRAL, développée à l’Onera, est aujourd’hui une référence internationale en astronomie. Elle reste toutefois limitée au traitement d’images à petit champs de vue (champs isoplanétiques) dans le contexte de l’OA dite « classique » et doit être modifiée et adaptée pour répondre aux nombreux défis que recèle les nouveaux systèmes d’OA à grand champ. Travail de thèse: L’exploitation des données issues de l’OA nécessite des techniques d’analyse efficaces, et répondant aux besoins exprimés par les astronomes. C’est un travail qui requiert à la fois une connaissance approfondie des caractéristiques et comportements de l’OA et des instruments, et une maîtrise des objectifs scientifiques à atteindre. Avec l'arrivée des systèmes d'OA à grand champ, de nouvelles techniques de réduction et d'analyses de données doivent être développées. Ces techniques vont combiner l’étalonnage fin de la réponse impulsionnelle du système pour l’ensemble du champ de vue d’intérêt ainsi que le couplage de cette dernière dans des procédures de traitement d’images sophistiquées (déconvolution par exemple). Dans cet objectif, le LAM en collaboration avec l'ONERA sont impliqués dans plusieurs projets qui rassemblent d'une part des astronomes afin de définir, selon les objectifs scientifiques à atteindre, le type d'outils et la précision nécessaire pour l'interprétation des données; et d'autre part, des spécialistes d'OA et du traitement d’image associée. Au sein de cette équipe pluridisciplinaire, le travail de thèse consistera à développer et rendre disponible à la communauté des nouveaux outils d'analyse et de traitement de donnée pour les observations astronomiques par OA grand champ. Après avoir interagis avec les astronomes du LAM autours des problématiques astronomiques (morphologie des galaxies distantes, étude des zones de formation d’étoiles ou encore l’astrométrie à haute précision pour la détection d’exoplanètes par exemple) et cerné les besoins associées à ces dernières (observables, précisions requises etc …), le/la candidat(e) proposera des approches innovantes combinant les procédures d’étalonnages et de traitement d’images. Le/la thésard(e) validera les nouveaux concepts proposés grâce aux outils de simulations présent au LAM et a l’ONERA. Il bénéficiera en outre d’un accès unique à des données réelles (acquises sur le système Gems) sur lesquelles, en collaboration avec les astronomes du LAM, il pourra démontrer l’efficacité et les performances des algorithmes développés. La confrontation aux données réelles se fera au début de la thèse ou le/la candidat(e) utilisera les techniques existantes (état de l’art actuel) et en déterminera les limitations. Il/elle se familiarisera en outre avec les problématiques astrophysiques et les spécificités de l’observation avec une optique adaptative à grand champ sur un télescope géant. La connaissance fine des besoins astronomiques, la prise en compte des paramètres instrumentaux et observationnels, le tout exprimé dans un contexte mathématique rigoureux (théorie bayésienne de l’information, critères explicites à minimiser) devrait permettre de proposer des solutions innovantes et DRH/ECFE/octobre2007 conduire à des précisions d’estimation inégalées. Ainsi dans une seconde étrape il/elle proposera des améliorations à apporter aux algorithmes (estimations des paramètres de la réponse impulsionnelle, recentrage fin, déconvolution, fit de modèles, estimation photométriques et astrométriques …) et aux procédures observationnelles existantes (étalonnage, acquisitions d’images, acquisitions de données contextuelles …). Cette étape constituera le cœur de la thèse. Enfin il/elle testera, d’abord en simulations puis sur données réelles, ses nouvelles approches enfin d’en démontrer la pertinence et le gain (en lien fort avec les astronomes). Le/la thésard(e) sera intégré(e) dans une équipe d'astronomes et de spécialistes de l'OA, à l'interface entre l'analyse de nouvelles données astrophysiques, et le traitement de données. Cette thèse s’inscrit dans la continuité de plusieurs études et travaux de thèse déjà réalisés à l’ONERA autour des problématiques du traitement de donnée en OA. L’étudiant bénéficiera donc de l’expertise déjà construite au cours des années passées. Collaborations extérieures : GIS-PHASE (Observatoire de Paris, Marseille, Grenoble et ONERA), Gemini Observatory, ESO PROFIL DU CANDIDAT Formation : Ecoles d’Ingénieurs optique ou physique, Master Recherche en physique ou astronomie. Spécificités souhaitées : Optique / traitement du signal / automatique. DRH/ECFE/octobre2007