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Percées astrophysiques grâce au traitement de données interférométriques polychromatiques – POLCA

POLCA : Percées astrophysiques grâce au traitement de données interférométriques polychromatiques

Des mesures interférométriques multispectrales aux percées astrophysiques <br /> <br />Le projet POLCA a réuni des experts de l'interférométrie optique stellaire et du traitement du signal pour faire des percées en utilisant pleinement l'information polychromatique des données interférométriques, et pour démontrer les avancées obtenues sur des données réelles.

Réunir des experts en interférométrie stellaire et en traitement du signal pour extraire le meilleur des données en interférométrie optique

En mélangeant la lumière de plusieurs télescopes, l'interférométrie optique (IO) offre la résolution angulaire la plus fine (environ la milli-seconde d'arc) dans de nombreux domaines : physique stellaire, formation des étoiles et des planètes, environnement des trous noirs extra galactiques… Dans ce domaine, le travail pionnier réalisé en France a placé l'Europe au premier plan avec l'interféromètre européen VLTI (plus de 50% des publications sur 2010-2014). Toujours moteurs au travers du JMMC, les laboratoires français distribuent des outils pour préparer, réduire, et interpréter les observations. Les premières images ont pu être reconstruites. Mais les instruments actuels et à venir (GRAVITY, MATISSE) fournissent une information multi-spectrale riche mais non pleinement exploitée. En associant des experts en traitement du signal et en IO, le projet POLCA a inventé de nouveaux outils pour traiter en même temps l'information spatiale et spectrale, et gagner à la fois en performance (magnitude limite, précision) et en potentiel observationnel (physique des objets). Reconstruire globalement des images spatio-spectrales permet d'augmenter l'intérêt et l'impact de l'IO.

Le projet POLCA s'est fondé sur des données réelles portées par des objectifs astrophysiques précis. Nous avons sélectionné des données existantes et nouvelles, nécessitant de nouveaux traitements polychromatiques. Les domaines finalement abordés ont été les étoiles jeunes (étoiles et environnement), les étoiles miras, et les étoiles du Centre Galactique. Nous avons associé une connaissance approfondie des instruments aux derniers acquis du traitement du signal pour étudier les observables interférométriques, en particulier les mesures différentielles (différences entre longueur d'onde), la statistique des bruits et les corrélations, et développer de nouveaux algorithmes mieux adaptés à cette approche globale spatio-spectrale. Les travaux sur l'interprétation astrophysique et sur la recherche de nouvelles approches ont été conjoints ; des solutions pragmatiques à court terme ont ainsi côtoyé des recherches fondamentales exploratoires.

Parmi les résultats de POLCA, on peut noter l'impact sur l'étude de la morphologie de l'environnement des étoiles Herbig Ae/Be observées avec PIONIER/VLTI, les premières reconstructions multispectrales d'étoiles miras (R For et R Car), et la démonstration de l'extraction des positions et des spectres d'étoiles du Centre Galactique tel qu'il sera observé par l'instrument GRAVITY. Pour la reconstruction d'image multi-spectrale, l'algorithme SPARCO, adapté aux données polychromatiques des étoiles HAe/Be, a été suivi par MiRA-3D, puis PAINTER, deux algorithmes fondés sur la méthode des multiplicateurs à directions alternées (ADMM), avec diverses régularisations, incluant des approches parcimonieuses qui ont par ailleurs inspiré le meilleur algorithme de déconvolution aveugle en microscopie 3D. L'étude des mesures interférométriques elles-mêmes a fourni un estimateur pouvant augmenter la précision d'une mesure de diamètre stellaire d'un facteur 2 à 10, et une méthode de cophasage des franges plus robuste et 10 fois plus sensible. Le logiciel PAINTER est en accès public.

Les principaux résultats obtenus sont résumés sur le site internet de POLCA : polca.univ-lyon1.fr/POLCAresults/POLCAresults.html

Le projet POLCA a produit 28 publications dont 9 à comité de lecture, et a participé à l'élaboration de la nouvelle version du format standard OIFITS des données interférométriques qui inclut les informations chromatiques (spectres, mesures spectro-différentielles, corrélations des bruits). Le centre Jean-Marie Mariotti (JMMC) a entrepris de puiser dans les résultats de POLCA pour les mettre à disposition de la communauté.

La liste complète des publications est accessible sur le site de POLCA: polca.univ-lyon1.fr/index.php

Publications dans des revues à comité de lecture :

Thibaut Paumard, Oliver Pfuhl, Fabrice Martins, e

L'objectif du projet POLCA est de réunir des experts en interférométrie stellaire (IS) et du traitement du signal (TS) pour faire une percée en utilisant pleinement l'information polychromatique des données interférométriques, et démontrer les avancées obtenues sur des données réelles.

L'Europe est un acteur de premier plan dans l'IS. Grâce au travail de pionnier réalisé en France, l'interféromètre européen VLTI est le plus productif du monde (40% des publications sur la période 2002-2007). Ce succès permet à l'IS de s'ouvrir à une communauté qui s'élargit en offrant une résolution spatiale de quelques milli-secondes d'arc dans plusieurs domaines (physique stellaire, formation des étoiles et des planètes, environnement des trous noirs extra galactiques...).

Aujourd'hui, des laboratoires français IS, au travers du JMMC, distribuent des logiciels pour préparer des observations, trouver des calibrateurs, réduire les données des instruments VLTI et ajuster des modèles. Les efforts en cours pour la reconstruction d'image ont permis d'obtenir les premières images.

Mais un nouveau pas doit être accompli afin de tirer le meilleur parti des données complexes de l'interférométrie : les données actuelles transportent une information spectrale riche non pleinement exploitée car difficile à traiter en même temps que les informations spatiales.

Le plus souvent, les données sont traitées dans des canaux spectraux séparément. L'impact de l'IS serait considérablement renforcé par des moyens efficaces de traiter (x,y,lambda) dans son ensemble. Mais l'hétérogénéité de l'espace (x,y,lambda) nécessite des avancées significatives en TS. De plus, la taille de l'espace des paramètres pour la reconstruction de l'image et les nombreuses représentations possibles du spectre nécessite une R&D innovante dans les domaines du compressed sensing et des méthodes de régularisation.

L'observation des objets complexes montre aussi que l'ajustement du modèle ne capte souvent qu'une partie de la morphologie d'un objet : des moyens efficaces sont nécessaires pour explorer les résidus d'un ajustement, par ex. avec une approche de reconstruction d'image, une modélisation semi-paramétrique et une régularisation spatio-spectrale.

D'autres difficultés viennent des corrélations entre les mesures dans les différents canaux spectraux ou des méthodes différentes utilisées par les interféromètres pour mesurer les visibilités différentielles (en longueur d'onde). Ces problèmes nécessitent de réunir des experts de l'IS et du TS dans le but de clarifier la modélisation correcte des données.

Le résultat devrait aboutir à l'amélioration des mesures des interféromètres et la réalisation des outils plus adaptés aux traitements de leurs données polychromatiques.

Dans le cadre des instruments existants (MIDI, AMBER, VEGA, IOTA) et de ceux en cours de développement (PIONIER, GRAVITY, MATISSE), plusieurs cas scientifiques peuvent être considérés comme prometteurs mais actuellement limités par le manque d'outils d'inversion convenables. On peut citer par ex. l'étude de la composition chimique et de la structure spatiale fine du disque de poussière (protoplanétaire ou évolué), l'étude des compagnons faibles d'étoiles jusqu'aux exoplanètes ou l'étude de la cinématique des environnements circumstellaires jeunes ou évolués.

Nous proposons de sélectionner les données existantes sur les objets spécifiques nécessitant des nouveaux traitements polychromatiques pour résoudre des questions encore ouvertes, et de collecter de nouvelles données acquises avec la même intention. Autour de ces données, nous avons l'intention de formaliser les modèles physiques des objets, les modèles des données, étudier la statistique du bruit et les corrélations, et développer de nouveaux algorithmes mieux adaptés à cette approche 3D.

Coordinateur du projet

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE (Divers public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR OUEST ET NORD
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE COTE D'AZUR
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-AUVERGNE

Aide de l'ANR 400 000 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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