Rapport de stage de Master 2 Minimisation des effets de diffraction

Rapport de stage de Master 2
Minimisation des effets de diffraction
pour l’imagerie directe des
exoplanètes à l’aide d’une
apodisation.
par
Nicolas Parot Alvarez
sous la direction de Pierre Baudoz
LESIA - Observatoire de Paris - site de Meudon
pour l’obtention du
Master de recherche Planétologie Ile de France
Année universitaire 2013 - 2014

Résumé
Ce document présente un rapport de mon stage de Master 2 au sein de l’équipe Très
Haute Dynamique (THD) du Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation
en Astrophysique (LESIA) de l’Observatoire de Paris-Meudon, sous la direction
du docteur Pierre Baudoz.
Contexte. Depuis la première découverte, en 1995, plus de 1000 planètes ex-
trasolaires ont été détectées. Toutefois la grande majorité de ces détections sont
réalisées de manière indirecte : en observant la perturbation d’un paramètre d’une
étoile par une hypothétique exoplanète. Ainsi, moins d’une vingtaine d’entre elles
ont été imagées directement par une première génération d’instruments installés
sur des télescopes terrestres géants à Hawai’i et au Chili. L’imagerie directe fait
appel à deux grandes techniques pour la détection de corps aussi petits et faible-
ment lumineux que des planètes. La première technique, la coronographie, consiste
à éclipser avec un masque le flux lumineux de l’étoile hôte pour rendre détec-
table une planète à l’intensité au moins un million de fois inférieure. La deuxième,
l’optique adaptative permet, avec un miroir déformable, de corriger les perturba-
tions atmosphériques dont l’effet global est une déformation du front d’onde issu
de la source lumineuse. L’équipe THD du LESIA prépare une nouvelle génération
d’imageur dont l’objectif scientifique est de pouvoir détecter des planètes toujours
moins grandes, moins lumineuses et plus proches de leurs étoiles, que tout ce que
les instruments actuels sont capables de faire : des exoplanètes de type Terre. Pour
cela, sont développées de nouvelles méthodes de correction et de coronographie,
dont en particulier l’ajout d’une apodisation, le sujet de ce rapport.
Objectifs. L’apodisation a pour fonction de minimiser les effets de diffraction,
troisième problématique physique qu’il est essentiel de contrôler ici. La réduction
de ces effets doit permettre une correction plus efficace par le système d’optique
adaptative, et ainsi d’améliorer le contraste coronographique, chiffre clés d’un ins-
trument d’imagerie d’exoplanète. La valeur du contraste coronographique déter-
mine directement le type d’objet qu’il peut espérer étudier.
Méthodes. Dans un premier temps, j’ai réalisé une simulation numérique du
banc d’optique THD en langage Python, dans laquelle j’ai ajouté un apodiseur
simulé dont j’ai analysé l’effet théorique-simulé sur le contraste de l’instrument.
Dans un second temps, j’ai étudié expérimentalement, sur le banc, l’impact d’un
apodiseur "micro-dots". Il s’agit ensuite de comparer les résultats théoriques simu-
lés et les résultats expérimentaux pour pouvoir analyser et quantifier l’amélioration
réellement apportée par l’apodisation sur le banc de THD.
Résultats. Les résultats simulés indiquent un gain d’un à deux ordres de gran-
deur sur le contraste coronographique après ajout de l’apodisation. En revanche,

les mesures expérimentales ne mettent en valeur aucune amélioration notable du
contraste.
Conclusions. Les résultats simulés semblent confirmer l’intérêt de l’utilisation
d’une apodisation et son importance dans la quête du premier instrument qui sera
capable d’imager des Terres. Cependant, sur le banc, les performances ne sont pas
atteintes. Après celle de la diffraction, d’autres limites telles que la sensibilité du
miroir déformable et les poussières sur les éléments optiques devront être explorées
pour atteindre les objectifs scientifiques de l’équipe.
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Table des matières
1 Introduction 3
1.1 La première détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Les techniques de détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1 Vitesses radiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Astrométrie ........................ 3
1.2.3 Microlentilles gravitationnelles . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.4 Lestransits ........................ 4
1.2.5 L’imagerie directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 État actuel et problématiques de l’imagerie directe . . . . . . 6
1.3.1 La coronographie et la diffraction . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2 L’optique adaptative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4 LeTHD .............................. 13
1.4.1 Le banc Très Haute Dynamique du LESIA . . . . . . . 13
1.4.2 L’optique adaptative sur le THD . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 La coronographie sur le THD . . . . . . . . . . . . . . 14
1.5 L’apodisation ........................... 15
1.5.1 Principe.......................... 15
1.5.2 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5.3 Effet sur la correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Simulation 17
2.1 Le choix du langage Python . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Ladiffraction ........................... 17
2.2.1 Théorie .......................... 18
2.2.2 Modèle numérique et résultats du code . . . . . . . . . 19
2.3 Lacoronographie ......................... 19
2.3.1 Théorie .......................... 19
2.3.2 Modèle numérique et résultats du code . . . . . . . . . 20
2.4 L’optique adaptative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.1 Théorie .......................... 24
2.4.2 Modèle numérique et résultats du code . . . . . . . . . 24
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2.5 L’apodisation ........................... 27
2.5.1 Théorie .......................... 27
2.5.2 Modèle numérique et résultats du code . . . . . . . . . 28
3 Expérimentation 30
3.1 Le banc expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.2 Les outils informatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4 Conclusion 35
4.1 Discussion et Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 Bibliographie ........................... 36
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