Combineur interférométrique en optique intégrée pour l'étude des systèmes exoplanétaires – ESPIC

Ces dernières décennies, des progrès significatifs ont été réalisés dans l'identification de plus de 5 000 exoplanètes. Comparés à notre système solaire, ces systèmes planétaires extrasolaires présentent une grande diversité démographique et de propriétés. La prochaine frontière de la science des exoplanètes est donc de comprendre à quel point des planètes semblables à la Terre pourraient exister dans notre voisinage galactique en recherchant des biosignatures telles que O2, CO2, CH4, H2O dans leur atmosphère, ce qui est finalement lié à la quête de la vie dans l'Univers. Pour cela, l’analyse des spectres atmosphériques est une méthode idéale pour identifier le spectre d'une planète semblable à la Terre, située dans la zone habitable d'une étoile semblable au Soleil. Dans ce contexte, la gamme spectrale du moyen infra rouge (MIR), entre 3 et 20 µm, est particulièrement intéressante car l’ensemble des molécules y présentent des raies d’absorption spécifiques.
Pour détecter les photons provenant d’exoplanètes de faible luminosité et les séparer de ceux de l’environnement stellaire proche et brillant, des techniques à haute résolution angulaire et à fort contraste utilisant l'interférométrie multi-télescope à annulation sont nécessaires. L’élément principal d'un interféromètre est le combineur de faisceaux, pour laquelle l'intérêt des dispositifs photoniques intégrés a été démontré au Very Large Telescope Interferometer (VLTI). Alors que la majeure partie de l’optique intégrée (ou photonique) repose sur des applications de télécommunication autour de la longueur d’onde de 1,5 µm, un domaine de recherche en pleine expansion vise à étendre le fonctionnement des circuits photoniques au domaine du MIR, notamment pour applications en spectroscopie. Des interféromètres sur puce à base de silicium germanium (SiGe) ont ainsi été récemment développés autour de 8 µm de longueur d’onde.
Dans ce contexte, le projet ESPIC porte sur le développement d’un nouveau concept de combineur de faisceaux interférométrique à quatre télescopes, en optique intégrée. ESPIC apporte plusieurs innovations : 1) il ouvre la gamme MIR de 3 à 13 µm en astrophotonique en exploitant les progrès récents de la photonique dans l'infrarouge moyen du SiGe ; 2) il permet différents schémas de combinaison pour l'auto-étalonnage du signal grâce aux propriétés de phase naturelles des coupleurs classiques et de type Multimode Interferometer (MMI), inaccessibles avec l'optique classique en espace libre; 3) il intègre une capacité unique de contrôle de phase sur puce pour ajuster précisément la différence de phase, un aspect crucial pour les techniques à fort contraste ; 4) l'instrument peut être intégré dans un environnement cryogénique afin de minimiser l'impact du fond thermique.
Le lien avec les projets d'interférométrie à annulation existants, tels que NOTT/VLTI depuis le sol et la mission spatiale LIFE consacrée à la spectroscopie des exoplanètes, est essentiel et opportun, car ce sont les principaux domaines d'application du projet ESPIC.
Grâce à la synergie entre le C2N de Palaiseau et l'Institut d'Astrophysique de Cologne, nous combinons des compétences uniques et reconnues dans les domaines de la photonique dans l'infrarouge moyen et de l'instrumentation pour l'interférométrie astronomique à longue ligne de base, idéalement soutenues par un réseau dense de collaborations internationales.