Description du sujet de thèse

La Terre étant le seul exemple connu de planète abritant la vie, dans une galaxie comptant des milliards d'étoiles, les conditions d'apparition de la vie sont mal connues. Les observations réalisées à l'aide de méthodes à fort contraste nous donnent un aperçu de leur composition atmosphérique et nous renseignent sur la diversité et l'habitabilité des analogues de la Terre. Le domaine du contraste élevé concerne la formation d'images et l'analyse spectrale de compagnons peu lumineux autour de sources brillantes, en essayant d'atteindre un contraste de plusieurs ordres de grandeur (rapports de flux étoile-planète de 10^5 à 10^{10} à une séparation angulaire inférieure à une seconde d'arc) dans les bandes du visible et du proche infrarouge.

Une approche systémique combinant toutes les caractéristiques clés des instruments à haut contraste doit encore être développée de manière significative afin de déterminer les performances ultimes en matière de contraste et de fixer des contraintes sur la conception des télescopes pour les observations de la Terre exotique : (i) détection du front d'onde pour les mesures de l'aberration de bas ordre, (ii) coronographie à masque de phase pour la suppression de la diffraction de la lumière stellaire à de courtes séparations, (iii) contrôle du front d'onde pour une région sombre à fort contraste autour de l'image d'une étoile observée.

La production d'une zone sombre à quelques éléments de résolution lambda/D (avec lambda et D désignant la longueur d'onde d'observation et l'ouverture du télescope) près de l'étoile nous permet d'accéder à une poignée de planètes rocheuses peu lumineuses. Un problème clé à résoudre est la détection et le contrôle en boucle fermée des speckles, les graines de lumière causées par des changements de picomètre dans les surfaces optiques, qui contaminent une telle zone sombre. La stabilisation de cette région pendant l'observation permet d'améliorer le rapport signal/planète et de maximiser le retour scientifique des observatoires.

L'université d'Arizona a récemment produit une région sombre de 10^8 à 4lambda/D en lumière visible, avec une boucle de génération de contraste basée sur la détection du front d'onde du plan focal et la conjugaison implicite du champ électrique, et sans boucles de stabilisation du contraste (VanGorkom et al. 2022). Le projet de recherche porte sur (i) l'exploration de nouvelles conceptions de coronographe à masque de phase et d'algorithmes de contrôle du front d'onde pour produire une zone sombre de 10^9 jusqu'à 2lambda/D, (ii) l'amélioration de l'élimination en temps réel des mouchetures parasites dans cette région sombre au niveau sub-nanométrique avec une nouvelle boucle de contrôle - essentielle pour observer efficacement les planètes telluriques.

La personne candidate au doctorat développera des systèmes de détection et de contrôle du front d'onde basés sur des méthodes interférométriques telles que la caméra auto-cohérente, les analyseurs de surface d'onde de bas-ordre de Lyot et de Zernike pour contrôler les speckles dans la région sombre et atteindre des contrastes stabilisés à 2lambda/D de 10^7 dans l'air avec un télescope à ouverture segmentée à Nice et de 10^9 dans le vide avec un télescope à ouverture pleine à Tucson, en présence de perturbations du front d'onde.

Contexte de travail

Des télescopes spatiaux post-James Webb sont actuellement à l'étude au sein de la communauté pour un lancement à l'horizon 2040 et l'un de ses objectifs scientifiques consistera à observer des planètes analogues à la terre autour d'étoiles jumelles au soleil. Afin de préparer au mieux ces missions, il est nécessaire de développer dès à présent les briques technologiques nécessaires pour former des images de planètes terrestres et analyser spectralement leur atmosphère pour déterminer leur nature et déceler des indices de vie en dehors de notre système solaire.

Informations complémentaires

La personne candidate sera titulaire d'un Master 2 ou équivalent (école d'ingénieur ou master recherche) en physique, optique, astronomie ou autres domaines connexes. Des compétences en optique géométrique et de Fourier, en programmation scientifique (idéalement en python), en pratique de laboratoire (manipulation de lasers, composants opto-mécaniques, détecteurs, alignement d'optiques), ou en traitement de données seront des atouts pour ce travail de recherche.
On attend de la personne candidate qu'elle soit enthousiaste, dynamique, autonome tout en ayant des capacités de travail en équipe. Un intérêt marqué pour l'astronomie et le travail interdisciplinaire sera un atout.