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Kernel-nulling for the direct detection of exoplanets
No full textLa découverte et la caractérisation de planètes autour d'autres étoiles (ou exoplanètes) sont l'un des sujets les plus passionnants de l'astronomie moderne. Les méthodes de détection indirecte, qui représentent jusqu'à présent la grande majorité des exoplanètes confirmées, ont révélé l'ubiquité et la diversité de ces mondes extrasolaires. Une alternative : la détection directe par imagerie de la lumière infrarouge émise ou réfléchie par les planètes elles-mêmes, offre le meilleur moyen d'aller au-delà d'une caractérisation de base et permet d'envisager la recherche de signes d'activité biologique et de déterminer leur habitabilité. Peu de planètes ont été directement imagées. Cette entreprise particulièrement difficile nécessite en effet la combinaison simultanée d'un pouvoir de résolution angulaire élevé à une capacité d'imagerie à haute dynamique. Il faut en effet détecter des objets séparés par quelques unités astronomiques et situés à des dizaines de parsecs et surmonter le problème du grand contraste de luminosité entre une planète et son étoile hôte brillante. Ce rapport de luminosité ou contraste planète/étoile varie entre ∼ 10−4 pour un analogue de Jupiter observé dans l'infrarouge moyen et ∼ 10−10 pour les exoplanètes semblables à la Terre imagées dans le visible. Pour le moment, l'imagerie directe s'est limitée à détecter l'émission thermique des planètes géantes. Les jeunes étoiles (< 100 Myr) sont en effet des cibles idéales car : leurs planètes sont généralement plus chaudes, et donc intrinsèquement plus brillantes, ce qui se traduit par des contrastes moindres. Pour relever ce défi d'imagerie directe, l'approche la plus commune utilise un coronographe au foyer d'un grand télescope unique bénéficiant de correction du front d'onde via une optique adaptative extrême. De tels systèmes sont caractérisés par un angle de travail interne (IWA) de quelques éléments de résolution exprimés en unités de λ / D, où λ est la longueur d'onde d'observation et D le diamètre du télescope. Les planètes directement imagées ont donc été détectées à de larges séparations orbitales (∼10 - 250 AU). Pour obtenir une résolution angulaire élevée, on peut recourir à l'interférométrie longue base et mettre en oeuvre une recombinaison annulante, fonctionnant de la même manière qu'un coronographe en supprimant la lumière d'une étoile non-résolue, avec un IWA bien amélioré qui peut être plus petit que λ / B, où B est la ligne de base interférométrique. Bien que cette approche soit une perspective alléchante, elle se heurte à de nombreux défis pratiques. La performance du nuller est en particulier très sensible aux différences résiduelles de chemin optique entre les faisceaux entrants du télescope, même après une optique adaptative ou une correction du suivi de franges. Une architecture d'annulation et une technique de réduction des données récemment proposées, appelées kernel nulling, tentent d'atténuer ce problème en permettant une solution d'imagerie fiable à contraste élevé, indépendante des perturbations de phase induites par les pistons atmosphériques de second ordre. Cette thèse évalue le potentiel astrophysique d'un kernel-nuller à 4 entrées et 7 sorties s'il était mis en oeuvre au VLTI (Very Large Telescope Interferometer). Elle explore ensuite les façons de fabriquer un tel nuller à base d'optique intégrée. Une implémentation plus simple, d'un nuller à 4 entrées et 4 sorties, peut être fabriqué à partir d'une seule cavité à interférences multi-modes (MMI) en optique intégrée. Cette thèse décrit un travail de caractérisation expérimental d'un tel kernel-nuller simplifié, aboutissant à la formation d'au moins un observable auto-étalonné appelé kernel-nul. Un spectrographe permet d'examiner le comportement chromatique de cette technologie et permet d'imaginer des stratégies qui le rendront utilisable sur une plus large bande spectrale.The discovery and characterisation of planets around other stars (or exoplanets) is one of the most exciting topics in modern astronomy. Indirect detection methods, which account for the vast majority of confirmed exoplanets thus far, have revealed the ubiquity and diversity of these worlds beyond our Solar System. However, rather than inferring their existence and properties, the direct detection (a.k.a., direct imaging) of the infrared light emitted or reflected by the planets themselves could offer the best means of searching for indications of biological activity, and the possibility of determining their habitability.Few planets have been directly imaged as it is an especially difficult endeavour that requires the simultaneous combination of a high angular resolving power, needed to detect objects separated by a few astronomical units and located tens of parsecs away, with high dynamic imaging capability to overcome the large contrast between the faint planet and its bright host star. The planet/star contrast ratio ranges between ∼ 10−4 for a Jupiter analogue observed in the mid-infrared to ∼ 10−10 for Earth-like exoplanets imaged in the reflected light from their primary. Consequently, direct imaging has predominantly been the detection of the thermal emission of giant planets. Indeed, young stars (< 100 Myr) make for ideal targets as they are generally warmer, and therefore intrinsically brighter exoplanets result in even lower contrasts.To address this direct imaging challenge, the conventional approach has been the use of a single aperture coronagraph with wavefront correction via extreme adaptive optics on a large telescope. Such systems are limited to observing beyond an inner working angle (IWA) of a few resolution elements expressed in units of λ / D, where λ is the wavelength of observation and D the diameter of the telescope. This is why most of the directly imaged planets have been detected at wide orbital separations (∼10 - 250 AU). To gain a high angular resolution, one can resort to long-baseline nulling interferometry, which works in a similar way as a coronagraph in suppressing the on-axis light of a star, with a much improved IWA that is smaller than λ / B, where B is the interferometric baseline.Although the use of interferometric nulling for the detection and characterisation of the thermal emission from young giant exoplanets is a tantalising prospect, it encounters many practical challenges when deployed on telescopes. The largest limitation being the extreme sensitivity of a nuller to residual optical path differences between the incoming telescope beams even after adaptive optics or fringe-tracker correction. A recently proposed nulling architecture and data reduction technique, called kernel-nulling, attempts to alleviate this by enabling a reliable high-contrast imaging solution that is independent of second-order atmospheric-piston-induced phase perturbations.This thesis evaluates the astrophysical potential of a 4-input/7-output kernel-nuller as the prime high-contrast imaging mode of the Very Large Telescope Interferometer (VLTI). Apart from a complete design, kernel-nulling solutions can also be found with a reduced number of outputs that nevertheless result in the formation of at least one self-calibrating observable. Consequently, the thesis investigates the spectral behaviour of one such solution - a 4-input/4-output kernel-nuller embedded on a 16-mm x 16-mm photonic chip
Kernel. Application and scientific potentials of full pupil interferometry : Statistical analysis of kernel observables
No full textLes observations à haute résolution du ciel sont assurées par deux grandes techniques : l'imagerie et l'interférométrie. L'imagerie consiste à estimer la distribution spatiale d'intensité d'une source, en formant une image de cette distribution d'intensité sur une plaque photosensible, anciennement chimiquement (plaque photographique), mais désormais exclusivement électronique, sous la forme de détecteur. L'imagerie est limitée par la qualité des images produites, qui peut être approximée par la taille de l'image que forme un point source sur le détecteur. Plus cette image est petite, plus la résolution est importante. La deuxième technique, l'interférométrie consiste à exploiter les propriétés ondulatoires de la lumière pour former non pas une image, mais des franges d'interférence, qui encodent dans leur position et leur contraste des informations sur la structure spatiale de l'objet observé.Bien que l'interférométrie et l'imagerie soient deux techniques différentes, et que leurs spécialistes tendent à former des communautés distinctes, les phénomènes à l'œuvre lors de la formation d'une image d'une part, et d’une figure d'interférence d'autre part sont fondamentalement les mêmes. Cela permet, sous certaines conditions, d'exploiter des techniques interférométriques sur des images. Une de ces techniques permet de former clôtures de phases, des observables robustes aux défauts optiques à partir d'observations interférométriques. Si les défauts optiques sont assez faibles (avec des erreurs sur le chemin optique plus petites que la longueur d'onde), il est possible de former des observables analogues à ces clôtures de phase à partir d'images, appelées des kernel phases, ou noyaux de phase.Le régime dans lequel ces observables peuvent être extraites n'a été rendu accessible que récemment, avec le lancement des premiers télescopes spatiaux d'une part, et d'autre part l'émergence de l'optique adaptative, qui peut corriger en temps réel les défauts liés aux turbulences atmosphériques. Si les défauts sont assez faibles, les images sont dites "limitées par la diffraction“ : la réponse du télescope peut être considérée comme dominée par les effets de diffraction, qui dépendent de la géométrie de l'ouverture d'entrée, et les défauts optiques comme des perturbations de la diffraction.Dans ce régime, la structure de la perturbation peut être utilisée pour construire des observables qu'elle n'affecte pas. Ces observables ne sont toutefois pas robustes à toutes les erreurs. Dans ce cas, je me suis concentré sur la détection de binaires dans les kernel phases extraites à partir d'images, en utilisant des méthodes statistiques robustes. En théorie de la détection, la procédure la plus efficace pour détecter un signal dans des données bruitées est le rapport de vraisemblance. Ici, je propose trois tests, tous basés sur cette procédure optimale pour effectuer des détections systématiques de binaires dans des images. Ces procédures sont applicables aux kernels phases extraites à partir de n'importe quelle image.Les performances de ces procédures de détection sont ensuite prédites pour des observations de naines brunes de type Y avec le télescope spatial James Webb. Nous montrons que des détections de binaires sont possible à des contrastes pouvant atteindre 1000 à des séparations correspondant à la limite de diffraction, qui est communément admise comme la "limite de résolution“ d'un télescope formant des images. Ces performances font de l'interférométrie kernel une méthode performante pour la détection de binaires de faible intensité. Ces limites dépendent fortement du flux disponible, qui détermine l'erreur sur les valeurs de flux mesurées au niveau de chaque pixel, et, par extension les erreurs qui affectent les kernel phases.High resolution observations of the sky are made using techniques that fall into two wide categories: imaging, and interferometry. Imaging consists in estimating the spatial intensity distribution of a source by forming an image of this source of a photosensitive plate, historically using chemical processes (a photographic plate), but nowadays electronically, with detectors. Imaging is limited by the quality of images, which can be approximated from the size of the image formed by point source on the detector. The smaller this size, the higher the resolution of an image. Interferometry, the second aforementioned technique, consists in exploiting the wave properties of light to form interference fringes rather than an image. These fringes encode information on the spatial structure of the observed object in their position and contrast Even though interferometry and imaging are two different techniques, and specialists of one or the other tend to form distinct communities, the phenomena that lead to the formation either of an image, or of an interference pattern are fundamentally the same. This enables, under some conditions, the use of techniques originally developed to treat interferometry data on images. One of these techniques allows to construct closure phases, observables that are robust to optical defaults from interferometry observations. if these optical defaults are small enough (with optical path differences smaller than the wavelength), it is possible to form observables analog to these closure phases called kernel phases. The regime in which these observables can be extracted was only attained recently, with the launch of the first space telescopes and the rise of extreme adaptive optics, which can correct in real time the defaults caused by atmospheric turbulence. If these defaults are small enough, images are called "diffraction limited": the response of the telescope can be considered dominated by the effects of diffraction, which depend on the geometry of the entrance aperture, optical defaults can be described ads perturbations of diffraction.In this regime, the structure of the perturbation can be used to build observables it does not affect. These observables are however to robust to all errors. An imperfect modeling on the entrance aperture and the approximations necessary to their construction can lead to systematic errors. Noises in the image also propagate to the observables. To be able to analyze a measurement, it is necessary to know the errors that affect it, and to propagate them to the final parameters deduced from these measurements.The use case we chose to evaluate these techniques was images of cold brown dwarfs produced by the James Webb Space Telescope (JWST), to predict the detection performances of companions around them. Currently, observation of these cold, Y type dwarfs has been made difficult by their very weak luminosity and temperature, which make observing them very difficult in the near infrared, the preferred domain of AO corrected ground based observatories. Thanks to its great sensitivity and stability, JWST will be able to observe these objects with the greatest precision achieved yet. This stability makes images produced by this telescope ideal candidates for kernel analysis.The performances of these detection procedures are then predicted for images of cold brown dwarfs produced by JWST. For these images, we show that binary detections are possible a contrast that can reach 1000 at separations corresponding to the diffraction limit, often considered to be the resolution limit of a telescope. These contrast detection limits make kernel interferometry a powerful method for the detection of low flux binaries. These detection limits strongly depend on the available flux, which determines the error level on each pixel, and therefore the noise that affects the kernel phases
Robust observables for high-contrast detection at small angular separation
No full textL'étude des exoplanètes est un domaine très actif. Malgré la nature indirecte de la plupart des détections, celles-ci nous fournissent déjà une quantité importante d'informations sur les propriétés de ces systèmes exoplanétaires: leur masse, taille et paramètres orbitaux. Pourtant, la détection directe de la lumière qu'elles émettent ou réfléchissent fournit des informations encore plus précieuses. Les instruments coronographiques conçus dans ce but sont généralement limités par la qualité de front d'onde, qui les empêchent notamment d'atteindre leurs performances théoriques. A l'inverse les techniques employant des observables qui sont robustes à ces aberrations sont limitées par le bruit de photon. Ces deux approches sont rendues incompatibles par la rupture de la relation de convolution qui lie l'objet à l'image. Les travaux décrits dans cette thèse explorent différentes avenues visant à contourner cette incompatibilité afin de combiner les performances des méthodes coronographiques et interférométriques, grâce à des transferts technologiques et au développement de nouvelles méthodes: Le développement des kernels différentiels angulaires (ADK) qui utilisent les principes de l'imagerie différentielle angulaire (ADI) dans le cadre des noyaux de phases et clôtures de phases. L'expérimentation de noyaux de phases avec une pupille apodisée. L'exploitation des noyaux de phases à partir d'images saturées. Le développement d'architectures exploitant les noyaux d'obscurité (kernel nulling) pour un nombre arbitraire de pupille, et notamment pour des architectures à grandes lignes de base. Ces travaux poussent les performances en contraste des observables robustes à faible séparation, et entament l'exploration des nouvelles voies du haut contraste robuste.The study of exoplanets has been a very active topic in the past years. Despite the indirect nature of most detections to date, those already provide us with a wealth of information on the properties of these exoplanetary systems, like their mass, size, and orbital elements. However, the direct detection of the light emitted or reflected by those planets provides some even more precious information. Coronagraphic instruments that would allow this are generally limited by the wavefront quality at their input, which prevents them from reaching their theoretical performance. Conversely, techniques employing observables designed to be robust to those aberrations are limited by photon noise. These two methods are made incompatible because coronagraphy breaks the convolution relationship betwen the object and its image. The works described in this thesis explore different avenues aiming to sidestep this incompatibility and to combine the performance of coronagraphic and interferometric methods though technology transfers as well as the development of new methods. The development of angular differential kernel phases (ADK) that make use the principles of angular differential imaging (ADI), transfering them for kernel and closure phases observables. The experimentation of kernel phases behind shaped pupil apodization masks. The exploitation kernel phases extracted from archival saturated images. The development of architectures for kernel nulling for an arbitrary number of apertures for Fizeau and long-baseline interferometry. These works push the contrast performance of robust observables at small angular separations and begin the exploration of new methods of robust high-contrast observations
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Get PDF“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Get PDFWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Get PDFWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
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