Percées astrophysiques grâce au traitement de données interférométriques polychromatiques – POLCA

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, et al., 2014, «GCIRS 7, a pulsating M1 supergiant at the Galactic centre. Physical properties and age«, A&A Vol 568, id.A85, 10 pp.

Antony Schutz, André Ferrari, David Mary, et al., 2014, PAINTER: a spatio-spectral image reconstruction algorithm for optical interferometry, JOSA A, Vol. 31, pp. 2334-2345.

Antony Schutz, Martin Vannier, David Mary, et al., Statistical characterization of polychromatic absolute and differential squared visibilities obtained from AMBER/VLTI instrument, Astronomy and Astrophysics, Vol. 565, pp A88, 2014

Jacques Kluska, Fabien Malbet, Jean-Philippe Berger, et al., 2014, SPARCO : a semi-parametric approach for image reconstruction of chromatic objects. Application to young stellar objects, Astronomy & Astrophysics, Vol 564, id.A80, 11 pp.

Éric Thiébaut, Ferréol Soulez and Loïc Denis, 2013, Exploiting spatial sparsity for multi-wavelength imaging in optical interferometry, JOSAA, Vol 30, 160-170

Jacques Kluska, Fabien Malbet, Jean-Philippe Berger, et al., 2013, High Angular Resolution and Young Stellar Objects: Imaging the Surroundings of MWC 158 by Optical Interferometry, EAS Publications Series Vol 59 pp 141-154

Ferréol Soulez, Éric Thiébaut and Loïc Denis, 2013, Restoration of Hyperspectral Astronomical Data with Spectrally Varying Blur, EAS Publications Series Vol 59 pp 403-416

Gilles Duvert, John Young and Christian Hummel, 2015, OIFITS 2: the 2nd version of the Data Exchange Standard for Optical (Visible/IR) Interferometry, submitted to A&A, sept. 2015

Alexis Matter, Lucas Labadie, Jean-Charles Augereau, et al., 2015, «Inner disk clearing around the Herbig Ae star HD 139614: Evidence for a planet-induced gap ?«, A&A, Vol 561, A26

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.