Le projet Kernel de l'OCA mis à l'honneur dans la revue Astronomy et Astrophysics

Pour permettre la détection d'objets à des contrastes de plus en plus ambitieux, et faire des observations les plus justes possibles, il est essentiel de contrôler et de minimiser la contribution des biais de mesure. Les deux articles publiés dans A&A ce mois ci présentent deux approches complémentaires allant dans ce sens.

Approche différentielle angulaire

Le premier article présente les résultats d'une étude menée par Romain Laugier, étudiant en troisième année de thèse au Laboratoire Lagrange. Romain a réussi à adapter une technique d'imagerie différentielle angulaire (ADI) utilisée pour la production d'images de planètes extrasolaires et l'a adaptée au scenario des noyaux de phase.

Pour maîtriser les biais d'observation, l'interférométrie requiert traditionnellement d'alterner les observations des sources d'intérêt astrophysique avec des objets de calibration, ce qui nuit à l'efficacité de ce mode d'observation. Il est de plus difficile en pratique de trouver une étoile de calibration qui n'introduise pas elle même de nouvelles sources de biais. La méthode ADK (angular differential kernel-phase) proposée par Romain utilise la rotation de champ se produisant naturellement lors du transit d'une étoile pour un instrument au foyer d'un télescope moderne. La diversité introduite par la rotation permet en effet de séparer la contribution des biais instrumentaux des signaux astrophysiques en passant 100% du temps d'observation sur la cible d'intérêt.

Un premier cas d'utilisation de la méthode sur des données acquises avec l'instrument SCExAO du télescope Japonais Subaru montre que la technique est valide et permet effectivement d'étalonner les observations, malgré des conditions d'observation difficiles. Le formalisme proposé est cependant très général et également applicable à l'interférométrie longue base où il pourrait mener à de nouvelles applications.

https://doi.org/10.1051/0004-6361/201937121

Kernel-phase V 2.0

Le second article présente les résultats d'une étude menée par Frantz Martinache, PI du projet KERNEL. Cette étude revient sur la définition de kernel-phase, publiée il y a maintenant 10 ans. Ce retour aux sources est rendu possible par un des produits du projet ERC KERNEL: le pipeline d'analyse de données appelé XARA (Résolution Angulaire eXtrême en Astronomie) qui a, depuis le début du projet entâmé en octobre 2016, connu beaucoup d'améliorations. Il était donc temps de revisiter les premiers résultats astrophysiques obtenus par les noyaux de phase. L'étude met en évidence que l'approche initiale, bien que puissante, était assez grossière. En prenant mieux en compte la description de l'ouverture diffractante des instruments, l'analyse kernel est rendue beaucoup plus fidèle et réduit l'impact de ses biais intrinsèques.

Illustraction extracted from the Martinache et al (2020) publication, showing from top to bottom, how a better model of the diffractive aperture can reduce the amount of systematic error. By either increasing the density of the aperture model (middle row) or by introducing a transmission model (bottom row), the magnitude calibration signal (the red or the orange curves on the right hand side plots) can be considerably reduced in comparison with the astrophysical signal (the blue curve)

Utilisant ces modélisations plus fines, l'article propose une nouvelle analyse des données de HST/NICMOS, utilisées dans la publication qui avait introduit l'idée de kernel-phase ainsi que celle de données en provenance de l'instrument PHARO au foyer du télescope de Hale au Mont Palomar. Dans les deux cas, la nouvelle analyse met en évidence des améliorations spectaculaires.

Dans la même veine que l'idée de ADK de Romain Laugier, cette étude montre qu'une approche différentielle spectrale des kernels de phase (SDK) offre, sur des cibles astrophysiques adaptées, une autre façon d'éliminer les biais de mesure et d'augmenter les limites de détection de ce mode d'observation, en passant encore une fois 100% du temps d'observation sur la cible d'intérêt.

https://doi.org/10.1051/0004-6361/201936981

Vers du très haut contraste

Un des grands objectifs du projet ERC KERNEL est de réussir à combiner de façon efficace un vrai mode d'observation haut contraste comme un coronographe qui supprime un objet trop brillant d'une image à une méthode de type kernel-phase qui atténue l'effet des erreurs de front d'onde. Combiner les deux effets supprime les deux sources de bruit majoritaires (photon et phase) qui nous empêchent encore aujourd'hui de faire de la détection directe de planètes extrasolaire sur un grand nombre d'objets.

En collaboration avec Michael Ireland, professeur à l'Université Nationale Australienne, Frantz Martinache a mis au point en 2018 un concept d'instrument pensé pour un interféromètre à quatre télescopes qui réunit ces deux qualités appelé kernel-nuller. Un premier prototype est en cours de fabrication et devrait être intégré par l'équipe ERC KERNEL courant 2020 pour une première validation en laboratoire. En attendant, la vidéo suivante, produite par Frantz Martinache, explique en détails comment le concept fonctionne.

https://www.youtube.com/watch?v=vn6280hGTL8