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DRH/ECFE/octobre2007
Office National d’Études et de Recherches Aérospatiales - BP 72 - 92322 Châtillon CEDEX
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Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Université Aix-Marseille & CNRS, UMR7326 38
rue F. Joliot-Curie, 13388 Marseille Cedex 13, FRANCE
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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. : [phone] Fax : [phone] Mail : [e-mail]
Directeur de thèse universitaire envisagé : Thierry Fusco
Adresse : ONERA / Laboratoire d’Astrophysique de Marseille
Tél. : [phone] Fax : [phone] Mail : [e-mail]
Responsable LAM : Benoit Neichel
Adresse : Laboratoire d’Astrophysique de Marseille
Tél. : [phone] Fax : [phone] Mail : [e-mail]
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

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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.