reflexes terminologiques appropriés

2. à la demande générale de Philippe Stee le titre de l'exposé est Nulling pour les Nuls extension immédiate du sujet et autre titre possible Nulling Et Coronographie reflexes terminologiques appropriés nulling : penser à interferences destructives coronographie : penser à élimination de lumière on-axis mais en fait tout ça se rattache à des affaires de cohérence de la lumière

3. le plan • motivation science et illustrations • contraintes "mission" • rappels sur principe ( instrumentation) • difficultés, limitations, évaluation de performances • situation à la date ( cas restreint) nulling Darwin & TPF-I corono CIA

4. motivation science et illustrations

5. corono-science : origine et évolution, bref aperçu sémantique : étymologie brute : corono_graphie  représentation de la couronne néologisme introduit par B Lyot pour l'étude de la couronne solaire extension vers la physique stellaire (et au-delà): technique d'observation destinée à cacher une source dont le rayonnement comparativement excessif empeche de voir des sources faibles angulairement proches couronne solaire 1939 : coronographe de Lyot coronographie stellaire transposition de la technique de Lyot concepts emergents dédiés champs de recherche toujours actif extension vers l'interférométrie "nulling interferometry" Bracewell (1972??) et la suite... avec ESO, ESA, NASA....

6. coronographie "solaire" fin des années 30 pic du midi Bernard Lyot satellite "soho" instrument LASCO Lagrange L2 mai 99 -et au delà hot news : voir ecole corono solaire, Beaulieu, oct 2008

7. I(a) objet central : ponctuel sur l'axe de visée a a a a notre cible type sera : étoile mère + compagnon (ponctuels) bien sûr, plus précisément on pense à : étoile + planète corono stellaire, contexte science : pb posé "voir autour" cible scientifique typique : objet central et motifs voisins exemples de motifs voisins

8. contraintes "mission" science et contraintes associéesou cahier des charges scientifique

9. contraintes "science" : cahier des charges scientifique cas limite : détection d'exoterres et recherche de signes de "vie" objectif moyen : environnement stellaire faiblement emissif dynamique photométrique pouvoir gérer de grands écarts de brillance ( rapports de flux : étoile /compagnon) résolution angulaire pouvoir distinguer deux sources angulairement très proches (séparer leurs images, résoudre le couple) sensibilité photométrique et exploitation spectrale pouvoir enregistrer des flux très faibles grands, proches, faibles ? ça veut dire quoi ? des nombres !!!

10. dynamique photométrique paramètre clef : rapport Rflux = flux étoile/flux compagnon compagnons faibles, exoplanètes de types Pegasides "Jupiters chauds" 104, 105 9 6 exoplanètes de type "Terre" en IR, : millions 106 en visible : des milliards 109, 1010

11. 1 arcsec 1 U.A. obs 1 parsec  3 A.L. obs obs O.1 arcsec 1 U.A. 10 parsec O.01 arcsec = 10 marcsec 1 U.A. 100 parsec plutôt le domaine de l'interferometrie résolution angulaire 1 arcsec : 5.10-6 rad diametre angulaire d'un petit pois placé à 1 km critère de Rayleigh : la séparation angulaire accessible est > l /DiamTel

12. Pterre(l) = 10-n.Stel.Dl.transm. [flux solaire à l et à 10 psc] visible n = 9, ir thermique n = 6 Msoleil(V) = 4.8 T 5700 K q = 10-2 rad lvis = 0.55 mm Dlvis = 0.087 mm lir = 10.2 mm Dlir = 4.33 mm telescope diam 10m (100m2) diam 3.6m (10m2) telescope Nbre photons/sec D (m) S (m2) Soleil à 10 psc exoterre V N V N mais attention rayonmnt atmosph 1500 10 1.5 109 1010 100 10 150 1 109 1.5 108 10 3.6 sensibilité photométrique exemple : Terre Soleil à la distance d = 10 psc (environ 30 AL ou 3.1017 m ) raccourci : 106 en rapport de flux écart en magnitude 15 109 en rapport de flux écart en magnitude 22 à 23

13. la réponse technique au cahier des charges scientifique : Imagerie à Très Haut Contraste (ITHC ou parfois ITHDynamique) paramètres "clef" rejection = energie collectée/résidu d'energie sondage proche (close-sensing ou IWA : Inner Working Angle) transmission pour le compagnon bande spectrale (Rapport Signal à Bruit)

14. réponse pour la dynamique requise • deux approches : • apodisation (éliminer les pieds) • 2. rejection sur l'axe (éliminer la contribution de l'étoile) • une autre façon, un peu spéciale : • empecher les photons stellaires d'entrer dans le telescope • on y reviendra et tout ça : à large bande spectrale d'où besoin : achromatisme des processus de rejection

15. log profil I(a) profil I(a) 1 0.1 a 0.01 l/D 0.001 a la planète peut se trouver par ici. Pas bon ça !! elle est noyée intensité si la planète est par ici on a des chances de la "sortir" apodisation : casser les pieds, pourquoi ?

16. c'est la coronographie "pur jus" T Dyn Corono réjection sur l'axe (et un peu autour) pb de l'imagerie conventionnelle : la camera a une dynamique donnée (disons 10^5 niveaux) et un bruit de fond donné (qqs niveaux) la contribution stellaire ne permet pas de laisser apparaitre la planete hors du bruit l'étoile mange toute la dynamique solution: " éteindre" l'étoile trou dans le ciel sur la direction de visée! on fabrique une carte de transmission qui rejète la contribution stellaire(rejection) la dynamique de la caméra est libérée pour sortir la planète du bruit

17. ? mais comment trouer ? transmission transmission 1 tmax ciel ciel Leffective raideur du profil raideur : important pour cacher l'étoile sans fuite (leakage) et pour avoir transmission max très proche de l'axe en gros c'est entonnoir, bol ou bassine corono : faire un trou dans le cielpour y mettre l'étoile (carte de transmission rejectante) et quelle importance ? tendre vers une zone de rejection à bords nets et aptitude à percevoir un compagnon proche Leffective : extension du trou dans le ciel (petit = mieux) on dit aussi Inner Working Angle

18. T(a) 1 IWA T1 a ( ciel) T0 contraintes : réponse "technique" / demande "science" T1 = T(a > IWA)  flux collecté T0 = T(a =0)  flux atténué

19. contraintes techniques : performances requises les performances requises dépendent de la cible le rêve c'est quand : R est très grand ( disons 10n ) IWA est très petit ( disons 0.001 arcsec) Tplanete = 1, le max quoi ! le bonheur c'est quand : bonheur ++ : tout ça réalisé sur un intervalle spectral le plus grand possible

20. rappels sur principe ( instrumentation )

21. quelques concepts instrumentauxpour la rejection "on-axis" unerépartition • occulteurs externes • apodiseurs • masque focal opaque (Lyot conventionnel) • coronographes nullers(masque matériel ou masque virtuel) • nulling interferometry d'autres répartitions / classifications existent voir bibliographie : Guyon et al. ou Aime et al. ou d'autres encore de toutes façons les contours des boites ne sont pas nets tout ça se mélange et il y a des hybrides

22. occulteurs externes : la lumière ne passera pas ! BOSS : Big Occulting Steerable Satellite UMBRAS : Umbral Missions Blocking Radiating Astronomical Sources New World Occulter (on apodise aussi) distances occulteur-telescope : milliers de km

23. Lyot stellaire conventionnel _ 1 on corrompt le télescope pour en faire un coronographe le coronographe fait un trou dans le ciel dans lequel tombe l'étoile visée exemple fondateur coronographe de type "Lyot", masque opaque dans plan image

24. Lyot stop needed material mask Attention : diffraction peripheral diffracted light Lyot stellaire conventionnel _2 Lyot mask Lyot stop

25. Lyot stellaire conventionnel _3 Lyot cache plusieurs rayons d’Airy (typiqmnt 5 à 10 fois l/D) les planetes sont à l'interieur de cette zone aveugle (IWA)

26. qqs concepts instrumentaux Coronographie Interférentielle les coronographes de type "nuller" principe commun : ça splitte à tout va ! et interferences destructives trois exemples parmi d'autres

27. qqs concepts instrumentaux CIA Coronographe Interférentiel Achromatique Gay & Rabbia, 1996, CR Acad. Sc. c'est un coronographe de type "nuller" avec division d'amplitude division de front d'onde masque à ouvertures division d'amplitude separatrice (beamsplitter)

28. F flat-flat cat's eye input bright output nulled output CIA_principe_1 fondement : focus crossing property dephasage achromatique de pi par passage au foyer CIA = nuller; réjection sur l'axe par interférences destructives

29. CIA principe_2 marche des faisceaux et effet coronographique "on-axis" incident "on-axis" sortie constructive sortie destructive

30. ff ce "ce" pour cats'eye "ff" pour flat flat input pupil output pupil split phase shift pupil rotation ff ce p + recorded intensity recombination CIA principe_3 fronts d'onde et amplitudes complexes dans CIA

31. 1 réponse spatiale ou carte de transmission profil radial symetrie circulaire Airy radius 0.5 spatial response 0 4 2 0 2 4 field coordinate (unit: Airy radius) CIA principe_4 off-axis / on-axis : to be or not to be ( in image plane)

32. CIA physionomie assemblage combinaison adherence moleculaire et collage sous controle interférométrique chemins optiques (presque) figés

33. OPD = 0 OPD interféro- coronographes : contraintes pas de déséquilibre photometrique voie 1 / voie 2 pas de polarisation differentielle voie 1 / voie 2 ddm nulle (et stable), ilustration CIA CIA : contrainte supplémentaire amplitude complexe entrante : centro-symetrique contrainte induite par retournement de pupille

34. image voie1 p S R voie2 qqs concepts instrumentaux PMC : Phase Mask Coronagraph Roddier & Roddier, 1997, PASP à la fois corono à masque dans le plan image et nuller (avec "splitting et déphasage par le masque)

35. x Lyot stop onde plane : objet ponctuel sur l'axe x x 1 0 profil de transmission du masque 1 1 p 4 2 0 2 4 0 1 4 2 0 2 4 le rayon de la zone dephasante est calculé pour que l'energie résiduelle dans le diaphragmme de Lyot soit minimale Phase Mask Corono principe similaire à Lyot mais masque différent : il introduit un déphasage de p sur une partie de la PSF Cette partie interfère donc destructivement avec l'autre

36. input pupilla incoming complex amplitude phase mask transmitted complex amplitude output pupilla 0 0 phase mask coronagraphy close-sensing : about one Airy radius

37. image voie1 p S R voie2 qqs concepts instrumentaux SMC : Sectorized Mask Coronagraph Rouan et al., 2000, comme pour le PMC c'est à la fois un corono à masque dans le plan image et un nuller

38. x x Lyot stop x lentille x pupille image pupille image l'onde incidente "on-axis" est distribuée sur 4 voies ("splitting" par le masque dans le plan image) un couple diagonal de quadrants introduit un déphasage de p l'autre couple n'introduit pas de déphasage, p 0 0 p SMC_ principe ondes planes incidentes : objet ponctuel sur l'axe (étoile) objet ponctuel hors d'axe (compagnon) à la recombinaison, (plan pupille) l'interference est destructive : exit la source on-axis ! l'onde incidente "off-axis" n'est pas partagée, il n'y a pas interférence son energie est transmise vers le dernier plan image

39. p 0 0 p Dimitri Mawet et al., Coronagraph workshop, Pasadena, September 2006 SMC_ une approche technique émergente : les ZOG ZOG : Zero Order Gratings ou réseaux sub-lambda le masque n'est plus un assemblage de lames mais un assemblage de réseaux sub-lambda. Le processus physique sollicité est la biréfringence de forme (action sur les polarisations)

40. nulling interferometry (interf annulante) juste un aperçu de principe mais pourquoi ? pourquoi ? pourquoi ? pourquoi encore de l'interferometrie ? 2 telescopes = 1 telescope +1 telescope 1 interferometre = 2 telescopes + avoir des franges + un wagon d'emm. masochisme ? (oui , un peu tout de même) • interférometrie parce que • on veut la detection directe de la planète ( Rejection, HRA) • on veut detecter des exo terres ( Rejection, sensibilité photom) • on veut y chercher des signes de "vie" (comme la nôtre)(achromatisme) satisfaire à tout ça demande de l'interférometrie on reviendra sur ces points après quelques brefs rappels

41. detections : indirecte / directe detection indirecte la planète est révélée par ses effets sur la lumière issue de l'étoile-mère (mvt propre, velocimetrie, transits, micro-lentille gravitationnelle) détection directe ! on veut avoir la lumière qui vient de la planète elle même !! et elle seulement ! d'où le besoin de rejection et de sondage très proche

42. B rappels : basics pour interfero stellaire but de l'interf stellaire : déterminer distribution angulaire brillance O(q) et / ou determiner la séparation angulaire de deux composantes restriction : on determine seulement des parametres d'un modèle de O(q) stratégie : chercher info dans l'espace de Fourier déterminer le spectre spatial de O(q) deux clefs-outils : theoreme de Van Cittert & Zernike, degré de coherence g TF( O(q) ) interferometre = mesureur de g une autre façon (un peu abusive) de décrire la fonction de l'interféromètre : l'interféromètre projette sur le ciel une sorte de grille ce lobe "frangé" interroge la source sur son spectre spatial cette grille est de transmission sinusoidale, alternance d'interférences constructives et destructives constructives sur l'axe le pas de la grille est l/B

43. good grief ! oui, mais ...... le spectre spatial ici, c'est pas notre problème ! et la séparation on la connait ! ! (enfin, ..... on en a une évaluation ) notre pb c'est la détection directe d'un compagnon voir le compagnon (planète) sans être ébloui par l'étoile mère

44. nulling interferometry versus coronagraphy En coronographie ( un télescope) on risque d'éteindre étoile ET planète (trop proche) IWA Airy  l /Diametre En nulling interfero au lieu d'un trou , on projette une fine grille (une affaire de cohérence) la finesse du sondage ( l /Base) donnée par l'interféromètre permet de sauver la planète

45. nulling interferometry is but photometry through a sift ! utterly null ! provoc ? nulling interféro ? en substance l'interféromètre sert essentiellement à fabriquer par interférences destructives une carte de transmission qui va bien on se sert de cette carte comme d'une passoire qui laisse passer les photons planétaires et bloque les photons stellaires

46. p R ajoutons le nulling à l'interferomètre on ajuste B pour avoir l/2B = séparation etoile-planete note : on sait des choses sur la séparation etoile-exoterre (zone d'habitabilité) mais cette separation varie avec le mouvement orbital ! ! so what ? reponse : modulation spatiale out of the scope of the present talk

47. caillou caillou do it yourself atmosphère une mission requerant la nulling interfrecherche de la vie sur des exo-terres : ESA-Darwin deux étapes 1. detection directe d'exo-terres autour d'étoiles "proches" on veut avoir les photons de la planète 2. spectroscopie pour avoir la signature des bio-traceurs raies d'absorption par l'atmosphère de l'exoplanète

48. Ozone Venus puissance Terre H2O Mars H2O CO2 6 8 10 12 14 16 18 longueur d'onde (micron) les bio-traceurs qui vont bien bio-traceurs sélectionnés : H2O, O3, CO2 O3 domaine spectral retenu : infra rouge thermique exemple : 6 - 18 microns

49. infrarouge thermique , bande large ( 6-18 mm) techniques "nulling" interferometrie choix ESA : nulling interferométrie en IR thermique résumé : Darwin contraintes "science" objectif : detection directe et spectroscopie des exo-terres signatures de l'activité biologique (biochimie carbone) separation angulaire (etoile_planete) très petite (0.01 arcsec) rapport (flux*/flux planète) effroyablement grand (> 10^6)

50. algèbre basique du processus à deux voies Voie 1, y1(x) Voie 2, y2(x) x p R principe : un tout petit peu de maths_1 à la base : interférences destructives avec 2 voies (corono, interf 2 telescopes) créer un dephasage de p achromatique entre les deux voies avec plus de 2 voies ( N telescopes) créer sur chaque bras interferometrique le bon dephasage (hors de cet exposé, voir par exemple : Rabbia, Ecoles ITHD - tome 2