Contribution en Signal, Image et Instrumentation pour l'Astronomie

Jean-Louis Prieur

Résumé

In this manuscript, I describe my research work concerning signal and image processing, and instrumentation for astronomy. I also present the projects I intend to develop in the next few years. The thematic areas I dealt with were numerous and diverse, and the applications concerned, among others, visual and spectroscopic double stars, tidal effects in Am-type stars, shell galaxies, atmospheric turbulence and wind profiles with the SCIDAR technique. Among the main astrophysical results to which I contributed, are the validation of merging models to explain the origin of shells around elliptical galaxies, the evidence of the presence of dark matter in those galaxies, the detailed study of many spectroscopic binaries with the constitution of representative samples, including long period orbit systems containing FGKM, Am or composite spectrum stars. In particular, a thorough study of a sample of a hundred Am-type stars highlighted the influence of tidal effects, which contributed to circularizing the orbits and to synchronizing the spin and orbital motion in many systems. The fractional critical radii for circularisation and synchronisation that we have determined for our sample were found to be compatible with Zahn's theoretical models. We have also compared the estimated ages of our systems with the theoretical circularisation and synchronisation characteristic times, also predicted by Zahn. We found a fair agreement for the synchronism, but for circularisation, the tidal effects we have observed are more important than what was expected by the theory, for Am-type stars with a radiative envelope. As regards the visual binary stars, in collaboration with a group of European researchers, we have obtained a few thousand measurements with the PISCO and PISCO2 instruments, by using the speckle interferometry technique. Those accurate measurements have been calibrated in an absolute way with a diffraction grating. Their spatial resolution often reached the diffraction limit of the telescope. They have already led to the revision of a few hundred orbits. As their orbital periods are very long, and generally exceed a few hundred years, the observation of the visual double stars is a substantial program, which requires reliability and regularity over a very long period of time. This program needs an international collaboration that has been already active since several generations. As soon as they have been published, our measures were incorporated into the double star data base of the US. Navy in Washington DC, which is open to the whole scientific community. With regard to instrumentation, my activities mainly concerned the designing, construction and operation of the PISCO and PISCO2 focal instruments. A substantial part was devoted to real-time software developments for the remote control of the instruments and the detectors, and the subsequent data processing. The main selected criteria were ``performance and reliability'', both for hardware and software developments. Indeed those instruments and programs have been used during nearly every clear night, for many years (more than 20 years for PISCO, and already five years for PISCO2). The processing of PISCO data also lead me to developing programs for atmospheric turbulence profile inversion from SCIDAR observations, that can be operated in real-time and in a non-supervised mode. Those programs allow the restoration of turbulence profiles ($C_N^2$ parameter, seeing, coherence radius and coherence time) and of the wind parameters (velocity and direction) in the turbulent layers. When the observations are obtained in ``generalized SCIDAR'' mode, we can determine those parameters in all the turbulent layers that have been crossed by the incoming light, from the inside of the dome to altitudes up to 20--23 km. I have also written specialized software for computing orbits from radial velocities for multiple stellar systems made of two or three components. The main difficulty of this problem rested in the irregular sampling of the measurements. Finally, over the last few years, I have been working on the problems encountered for the phase self-calibration for aperture synthesis in astronomy, and for the calibration of GNSS (Global Navigation Satellite System) networks in geodesy, to which my principal collaborator, A.~Lannes (L2S, Paris), has proposed an elegant and original solution. For the coming years, I would like to work in collaboration with colleagues, but also if possible with some students (graduate trainees or PhD students) on the following projects: - "Instrumentation'' projects concerning (i) transfer of PISCO to the new Epsilon 1 m telescope of OCA (Obs. Côte d'Azur), with the automation of the data acquisition and processing, (ii) automation of PISCO2 on the L76 refractor of OCA, and (iii) software development for the ``Shack-Hartmann'' mode of PISCO. - "Signal processing" projects about (i) the implementation of the calibration methods proposed by A.~Lannes for radio-astronomy (ALMA) and for GNSS networks, and (ii) non-supervised classification of X sources that have been detected by the XMM-Newton space telescope. - "Astrophysical projects'' concerning the observation of double stars belonging to the Pre-Main Sequence (PMS) of the HR diagram, and of red dwarfs of the solar neighbourhood, with PISCO and PISCO2, to determine the orbits and the masses of those stars, which are still poorly known.

Dans ce manuscrit, je décris mes activités de recherche en traitement du signal, des images et en l'instrumentation pour l'astronomie et je présente les projets que je compte développer dans les prochaines années. Les thématiques que j'ai abordées sont très variées, et les applications ont concerné à la fois les étoiles doubles visuelles et spectroscopiques, les galaxies elliptiques à coquilles et la turbulence atmosphérique et de profils de vitesse du vent par la technique SCIDAR. Parmi les principaux résultats astrophysiques auxquels j'ai contribué, on peut mentionner la validation des modèles de fusion pour expliquer l'origine des coquilles, la mise en évidence de matière noire dans les galaxies elliptiques, la constitution d'échantillons représentatifs et l'étude détaillée de nombreuses binaires spectroscopiques, dont certaines à longue période, de type FGKM, Am et d'étoiles à spectre composite. En particulier une étude approfondie d'un échantillon d'une centaine d'étoiles Am a permis de mettre en évidence des effets de marées, se manifestant par une circularisation des orbites et une synchronisation entre la rotation axiale des étoiles et leur mouvement orbital. Notre étude a conduit à préciser la valeur de paramètres importants pour la modélisation (rayons fractionnaires critiques) et nous avons pu comparer les temps caractéristiques théoriques de circularisation et synchronisation avec les âges estimés pour ces systèmes. L'accord est convenable pour le synchronisme mais moins bon pour la circularisation. Les effets de marée observés semblent plus importants que ceux prévus par la théorie, pour les étoiles de type Am, à enveloppe radiative. En ce qui concerne les étoiles doubles visuelles, en collaboration avec un groupe de chercheurs européens, nous avons obtenu plusieurs milliers de mesures avec PISCO et PISCO2, en utilisant des techniques d'interférométrie des tavelures. Ces mesures très précises ont été calibrées de façon absolue avec un réseau de diffraction, et ont une résolution atteignant la limite de diffraction du télescope. Elles ont déjà conduit à la révision de quelques centaines d'orbites. Les périodes orbitales étant très longues, souvent supérieures à des centaines d'années, l'observation des étoiles doubles est un programme de fond, qui nécessite régularité et durée dans le temps. Ce programme ne peut se faire que dans le cadre d'une collaboration internationale et inter-générationnelle. Au fur et à mesure des publications, nos mesures ont été intégrées dans la base de données spécialisée de l'observatoire de l'US. Navy de Washington (USA), qui est ouverte à toute la communauté. Sur le plan instrumental mes activités ont concerné principalement la conception, la réalisation et le suivi de l'exploitation d'instruments comme PISCO et PISCO2, avec une part importante consacrée au développement de logiciels temps réel pour le contrôle des instruments, des détecteurs et le traitement des données. Les principaux critères que nous avons retenus ont été ``performance et fiabilité'', puisque ces instruments et logiciels sont utilisés, pratiquement toutes les nuits de beau temps, depuis de nombreuses années (plus de 20 ans pour PISCO). Le traitement des données de PISCO m'a aussi conduit à développer des programmes d'inversion de profils de turbulence atmosphérique à partir d'observation SCIDAR, qui peuvent fonctionner en mode non supervisé et en temps réel. Ils permettent de restaurer des profils de la turbulence (paramètre $C_N^2$, seeing, rayon et temps de cohérence) et des paramètres du vent en altitude (vitesse et direction) dans les couches turbulentes. Lorsque les observations ont été obtenues en mode ``SCIDAR généralisé'', ils permet de caractériser la turbulence dans toutes les couches traversées, depuis l'intérieur de la coupole jusqu'à des altitudes de 20 à 23 km. J'ai aussi écrit des programmes de calcul d'orbites à partir de mesures de vitesses radiales pour des systèmes à deux ou trois composantes. La difficulté de ce problème résidait principalement dans l'irrégularité de l'échantillonnage des mesures. Enfin depuis quelques années, je travaille sur des problèmes d'auto-calibration de phase pour la synthèse d'ouverture en astronomie, et de calibration des réseaux GNSS (Global Navigation Satellite System) en géodésie, auxquels mon principal collaborateur, A. Lannes (L2S, Paris), a apporté une solution élégante et originale. Pour les prochaines années, je voudrais travailler en collaboration avec des collègues, mais aussi si possible avec la participation d'étudiants (stages niveau "master'' ou "thèse'') sur les projets suivants: - projets "Instrumentaux'' concernant (i) le transfert de PISCO sur le nouveau télescope Epsilon de 1 m de l'OCA (Obs. Côte d'Azur), avec une automatisation de l'acquisition et du traitement des données. (ii) l'automatisation des fonctions de PISCO2 sur la lunette L76 de Nice, et (iii) le développement d'un logiciel de traitement pour le mode ``Shack-Hartmann'' de PISCO. - projets "Traitement du signal" portant sur (i) la mise en oeuvre des méthodes de calibration proposées par A. Lannes pour la radio-astronomie et pour les réseaux GNSS et (ii) sur la classification non supervisée de sources détectées par le télescope spatial XMM-Newton. - projets "Astrophysique'' concernant l'observation d'étoiles doubles pré-séquence principale du diagramme HR et des naines rouges du voisinage solaire avec PISCO et PISCO2, pour déterminer les orbites et les masses de ces étoiles, encore mal connues.

Contribution to Signal, Image & Instrumentation in Astronomy

Contribution en Signal, Image et Instrumentation pour l'Astronomie

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