Prédiction de la réponse impulsionnelle pour les obervations assitées par Optique Adaptative – APPLY

L'extraction d’une PSF instrumentale directement à partir des images scientifiques est très difficile, voire impossible pour certaines observations. Par exemple, les champs cosmologiques ne contiennent généralement pas d’étoiles de références. A l’inverse, certains champs stellaires comme les amas globulaires ou le centre galactique sont trop denses pour en extraire une PSF précise.

Lorsque la PSF ne peut pas être correctement extraite à partir de l'image scientifique, une autre approche consiste à prédire la forme de la PSF à partir des données auxiliaires. C’est précisément l’objectif d’APPLY : fournir à la communauté scientifique des solutions opérationnelles pour l’estimation de la PSF, adaptées à toutes les conditions et à tous les cas scientifiques. Cet objectif est atteint (i) grâce aux avancées récentes menées par notre groupe sur la modélisation la PSF, (ii) en tirant parti de méthodes de traitement de données innovantes et (iii) en réunissant une équipe multidisciplinaire d'astronomes, de spécialistes des données et d'experts en AO.

Les résultats principaux actuels concernent:
- La mise en place et la validation d'un modèle analytique de PSF d'OA
- L'utilisation de ce modèle pour améliorer l'exploitation scientifique des instruments MUSE et SPHERE
- Le développement de méthodes innovantes en Intelligence Artificielle pour estimer la PSF

La perspective principale concerne l'application des méthodes développées pour le futur Extremely Large Telescope

sites.google.com/view/anr-apply/ressources

Depuis plus de 20 ans déjà, l’Optique Adaptative (OA) est au cœur des grandes découvertes de l’astronomie au sol. En corrigeant des effets de l’atmosphère, l’OA permet d’améliorer la qualité des images produites par les grands télescopes au sol, et entre autres, d’étudier en détails les petits corps de notre système solaire, le trou noir super-massif au centre de notre galaxie, ou encore disséquer les premières galaxies formées dans l’Univers.

Tous les télescopes de la classe 8/10m sont aujourd’hui équipés par de l’OA, et la prochaine génération de télescope extrêmement grand (les « ELT ») ne fonctionneront qu’avec celle-ci. Par conséquent, la communauté astronomique exposée aux données corrigées de l’OA croît de manière exponentielle.

Cependant, les progrès technologiques exceptionnels réalisés en OA n’ont pas été suivis par une avancée comparable dans le développement des méthodes d’analyse des données associées. En particulier, un point critique lors de l'analyse des données d’OA concerne la séparation de la contribution instrumentale. Celle-ci est encodée dans la fonction d’étalement de point ou « PSF » de l'instrument.

Un système d’OA augmente la concentration d’énergie dans le cœur de la PSF, mais celle-ci présente une forme complexe combinant variabilité spatiale, spectrale et temporelle. Sur ce dernier point, la contribution principale concerne les effets stochastiques induits par la turbulence atmosphérique. Le système d’OA compense partiellement les aberrations induites par l'atmosphère et le télescope, mais la force et la structure spatiale de la turbulence atmosphérique évoluent constamment sur des échelles de temps plus rapides que la seconde. Dans ce contexte, il est difficile d’estimer un modèle de PSF précis associé à chaque observation d'AO et cette méconnaissance représente souvent la principale limitation lors de l'analyse de données d'OA. Des gains d’un facteur 2 à 5 sur les métriques scientifiques seraient possibles si des modèles de PSF précis (typiquement au %-près) étaient disponibles.

L'extraction d’une PSF instrumentale directement à partir des images scientifiques est très difficile, voire impossible pour certaines observations. Par exemple, les champs cosmologiques ne contiennent généralement pas d’étoiles de références. A l’inverse, certains champs stellaires comme les amas globulaires ou le centre galactique sont trop denses pour en extraire une PSF précise.

Lorsque la PSF ne peut pas être correctement extraite à partir de l'image scientifique, une autre approche consiste à prédire la forme de la PSF à partir des données auxiliaires. C’est précisément l’objectif d’APPLY : fournir à la communauté scientifique des solutions opérationnelles pour l’estimation de la PSF, adaptées à toutes les conditions et à tous les cas scientifiques. Cet objectif est atteint (i) grâce aux avancées récentes menées par notre groupe sur la modélisation la PSF, (ii) en tirant parti de méthodes de traitement de données innovantes et (iii) en réunissant une équipe multidisciplinaire d'astronomes, de spécialistes des données et d'experts en AO.

La principale force d’APPLY réside dans une approche intégrée, dans laquelle non seulement la PSF est fournie aux astronomes, mais les PSF estimées sont couplés à des outils de réduction de données et les modèles sont validés par des observations dédiées. L'optimisation de l'ensemble de la chaîne est réalisée par des spécialistes, et l'impact scientifique quantitatif et un retour critique sur le processus sont évalués par des astronomes. Pour cela, le projet tire parti de l'accès à d'importants ensembles de données ciel, ainsi que des données simulées, afin de démontrer la pertinence de la méthode dans un environnement contrôlé.

La méthodologie est développée pour trois instruments majeurs que sont : MUSE @ ESO-VLT, OSIRIS @ KECK et HARMONI @ ELT, mais cette méthodologie est très générale et des applications à d’autres instruments seront également explorées.