NEAT: un télescope spatial pour détecter des exoplanètes proches par astrométrie

With the present state of exoplanet detection techniques, none of the rocky planets of the Solar System would be discovered, yet their presence is a very strong constraint on the scenarios of formation of planetary systems. Astrometry, by measuring the reflex effect of planets on their central host stars, lead us to the mass of planets and to their orbit determination. This technique is used frequently and is very successful to determine the masses and the orbits of binary stars. From space, it is possible to use differential astrometry around nearby Solar-type stars to detect exoplanets down to one Earth mass in habitable zone, where the sensitivity of the technique is optimal. Finding habitable Earths in the Solar neighborhood would be a major step forward for exoplanet detection and these planets would be prime targets for attempting to find life outside of the Solar System, by searching for bio-markers in their atmospheres.A scientific consortium has formed to promote this kind of astrometric space mission. A mission called NEAT (Nearby Earth Astrometric Telescope) has been proposed to ESA in 2010. A laboratory testbed called NEAT-demo was assembled at IPAG, its main goal is to demonstrate CCD detector calibration to the required accuracy. During my PhD, my activities were related to astrophysical aspects as well as instrumental aspects of the mission. Regarding the scientific case, I compiled a catalog of mission target stars and reference stars (needed for the differential astrometric measurements) and I estimated the scientific return of NEAT-like missions in terms of number of detected exoplanets and their parameter distributions. The second aspect of the PhD is relative to the testbed, which mimics the NEAT telescope configuration. I am going to present the testbed itself, the data analysis methods and the results. An accuracy of 3e-4 pixel was obtained for the relative positions of artificial stars and we have determined that measures of pixel positions by the metrology is currently limited by stray light.Dans l’état actuel des techniques de détection des exoplanètes, aucune planète tellurique du Système Solaire ne pourrait être découverte et pourtant leur présence est une contrainte très forte sur les scénarios de formation des systèmes planétaires. L’astrométrie, en mesurant l’effet réflexe des planètes sur leur étoile centrale, permet de remonter à la masse des planètes et aux paramètres orbitaux. C'est une technique très utilisée pour la détermination des masses et des orbites des étoiles binaires et couronnée de succès. Depuis l'espace, il est possible d'utiliser l'astrométrie différentielle autour des étoiles proches de type solaire pour détecter leurs exoplanètes à partir d'une masse terrestre en zone habitable, là ou la sensibilité de cette technique est optimale. Trouver des Terres habitables au voisinage du système solaire constituerait une avancée majeure en terme de détection d'exoplanètes et ces planètes seraient des cibles de 1er choix pour tenter de détecter de la vie au delà du système solaire, en cherchant des bio-marqueurs dans leur atmosphère.Un consortium scientifique s'est formé pour promouvoir une telle mission spatiale astrométrique. Une mission appelée NEAT (Nearby Earth Astrometric Telescope) a été proposée à l'ESA en 2010. Un banc de test appelé NEAT-demo a été assemblé à l'IPAG, son but principal est de démontrer la calibration du détecteur CCD à la précision requise. Mes activités pendant la thèse se sont portées à la fois sur les aspects astrophysiques et instrumentaux de la mission. En ce qui concerne le cas scientifique, j'ai établi un catalogue des étoiles cibles de la mission et des étoiles de référence (pour la mesure astrométrique différentielle), puis estimé le retour scientifique d'une mission spatiale telle que NEAT en terme de nombre d'exoplanètes détectées et de la distribution de leurs paramètres. Le second volet de la thèse est centré autour du banc de test, qui imite la configuration du télescope spatial NEAT. Je vais présenter le banc lui-même, les méthodes d'analyse des données et les résultats obtenus. Une précision de 3e-4 pixel a été obtenue sur les positions relatives des étoiles artificielles et nous avons déterminé que la mesure de position des pixels par la métrologie est limité par la lumière parasite

NEAT : un télescope spatial pour détecter des exoplanètes proches par astrométrie

With the present state of exoplanet detection techniques, none of the rocky planets of the Solar System would be detected and indeed their presence is a very strong constraint on the scenarios of the formation of planetary systems. Astrometry by measuring the reflex effect of planets on their central host stars, lead us to the mass of planets and to their orbit determination. This technique is used frequently and is very successful to determine the masses and the orbits of binary stars. However it is necessary to go to space to reach the precision required to detect all planets down to the telluric regime.We are proposing a mission to ESA in the framework of the call for M3 mission in the Cosmic Vision plan whose objective is to make a full census of all exoplanets in our Solar neighborhood. The objectif is to use differential astrometry to complete the measurements obtained by other techniques in order to lower the threshold of detection and characterization to the level of an Earth mass in the habitable zone of each system. We want to explore in an exhaustive manner all solar-type stars (FGK spectral type) up to 20pc from the Sun. The satellite concept is based on formation flying technology with a satellite carrying a single primary mirror and another satellite carrying the focal plane. The measure is done using laser metrology using interferometry.The topic of the thesis consists in making progress on the definition of the science case and on the specification of the instrument and the observing procedures. Concerning the science case, an optimized observing strategy has to be defined to exhaustively detect and characterize all planetary systems in the solar neighborhood. Using numerical simulations, the student will establish a strategy for data reduction that allows him to fit all orbital parameters of the systems. A participation to the computation of error budget of the instrument and to the definition of observing modes is expected too. The candidate can also carry out performance tests using existing testbeds or developing new ones. This thesis will take place in the framework of the European collaboration on this topic and contacts will be made with our JPL colleagues who master the metrology technique.Dans l'état actuel des techniques de détection des exoplanètes, aucune planète tellurique du Système Solaire ne pourrait être détectée et pourtant leur présence est une contrainte très forte sur les scénarios de formation des systèmes planétaires. L'astrométrie, en mesurant l'effet reflex des planètes sur leur étoile centrale, permet de remonter à la masse des planètes et aux paramètres orbitaux. C'est une technique très utilisée pour la détermination des masses et des orbites des étoiles binaires et couronnée de succès. Il est nécessaire d'aller dans l'espace pour atteindre les précisions nécessaires pour détecter toutes les planètes jusqu'aux masses telluriques. Le Laboratoire est engagé dans un projet qui a été proposé à l'ESA dans le cadre de l'appel à mission M3 de Cosmic Vision et qui a pour objectif de recenser toutes les planètes de notre voisinage solaire. Le principe est d'utiliser l'astrométrie différentielle pour compléter les mesures obtenues par les autres techniques afin de descendre le seuil de détection et de caractérisation au niveau de la masse terrestre dans la zone habitable de chaque système. Nous voulons explorer de façon exhaustive toutes les étoiles de type solaire (type spectral FGK) jusqu'à 20pc de notre Soleil. Le concept du satellite repose en l'état actuel de l'étude sur du vol en formation avec un satellite portant le miroir et un satellite portant le plan focal. La mesure est faite par une métrologie à base interférométrique.Le sujet de la thèse consiste à avancer d'une part sur la définition du cas scientifique et d'autre part sur la spécification de l'instrument et des procédures d'observation. En ce qui concerne le cas scientifique, il s'agit d'établir une stratégie d'observation optimale pour recenser et caractériser de manière exhaustive tous les systèmes planétaires de notre voisinage. A l'aide de simulations numériques, l'étudiant pourra établir une stratégie de réduction des données permettant de remonter aux paramètres des orbites planétaires. Il s'agira aussi de participer à l'établissement du budget d'erreur de l'instrument et à la définition des modes d'observation. L'étudiant sera aussi mené à mettre en œuvre des tests de performance de la mesure dans le cadre d'une étude expérimentale. Cette thèse se déroulera dans le cadre de la collaboration européenne sur le sujet et des contacts seront aussi tissés avec nos collègues du JPL qui maitrisent la métrologie

NEAT : un télescope spatial pour détecter des exoplanètes proches par astrométrie

With the present state of exoplanet detection techniques, none of the rocky planets of the Solar System would be detected and indeed their presence is a very strong constraint on the scenarios of the formation of planetary systems. Astrometry by measuring the reflex effect of planets on their central host stars, lead us to the mass of planets and to their orbit determination. This technique is used frequently and is very successful to determine the masses and the orbits of binary stars. However it is necessary to go to space to reach the precision required to detect all planets down to the telluric regime.We are proposing a mission to ESA in the framework of the call for M3 mission in the Cosmic Vision plan whose objective is to make a full census of all exoplanets in our Solar neighborhood. The objectif is to use differential astrometry to complete the measurements obtained by other techniques in order to lower the threshold of detection and characterization to the level of an Earth mass in the habitable zone of each system. We want to explore in an exhaustive manner all solar-type stars (FGK spectral type) up to 20pc from the Sun. The satellite concept is based on formation flying technology with a satellite carrying a single primary mirror and another satellite carrying the focal plane. The measure is done using laser metrology using interferometry.The topic of the thesis consists in making progress on the definition of the science case and on the specification of the instrument and the observing procedures. Concerning the science case, an optimized observing strategy has to be defined to exhaustively detect and characterize all planetary systems in the solar neighborhood. Using numerical simulations, the student will establish a strategy for data reduction that allows him to fit all orbital parameters of the systems. A participation to the computation of error budget of the instrument and to the definition of observing modes is expected too. The candidate can also carry out performance tests using existing testbeds or developing new ones. This thesis will take place in the framework of the European collaboration on this topic and contacts will be made with our JPL colleagues who master the metrology technique.Dans l'état actuel des techniques de détection des exoplanètes, aucune planète tellurique du Système Solaire ne pourrait être détectée et pourtant leur présence est une contrainte très forte sur les scénarios de formation des systèmes planétaires. L'astrométrie, en mesurant l'effet reflex des planètes sur leur étoile centrale, permet de remonter à la masse des planètes et aux paramètres orbitaux. C'est une technique très utilisée pour la détermination des masses et des orbites des étoiles binaires et couronnée de succès. Il est nécessaire d'aller dans l'espace pour atteindre les précisions nécessaires pour détecter toutes les planètes jusqu'aux masses telluriques. Le Laboratoire est engagé dans un projet qui a été proposé à l'ESA dans le cadre de l'appel à mission M3 de Cosmic Vision et qui a pour objectif de recenser toutes les planètes de notre voisinage solaire. Le principe est d'utiliser l'astrométrie différentielle pour compléter les mesures obtenues par les autres techniques afin de descendre le seuil de détection et de caractérisation au niveau de la masse terrestre dans la zone habitable de chaque système. Nous voulons explorer de façon exhaustive toutes les étoiles de type solaire (type spectral FGK) jusqu'à 20pc de notre Soleil. Le concept du satellite repose en l'état actuel de l'étude sur du vol en formation avec un satellite portant le miroir et un satellite portant le plan focal. La mesure est faite par une métrologie à base interférométrique.Le sujet de la thèse consiste à avancer d'une part sur la définition du cas scientifique et d'autre part sur la spécification de l'instrument et des procédures d'observation. En ce qui concerne le cas scientifique, il s'agit d'établir une stratégie d'observation optimale pour recenser et caractériser de manière exhaustive tous les systèmes planétaires de notre voisinage. A l'aide de simulations numériques, l'étudiant pourra établir une stratégie de réduction des données permettant de remonter aux paramètres des orbites planétaires. Il s'agira aussi de participer à l'établissement du budget d'erreur de l'instrument et à la définition des modes d'observation. L'étudiant sera aussi mené à mettre en œuvre des tests de performance de la mesure dans le cadre d'une étude expérimentale. Cette thèse se déroulera dans le cadre de la collaboration européenne sur le sujet et des contacts seront aussi tissés avec nos collègues du JPL qui maitrisent la métrologie

NEAT: a space born astrometric mission for the detection and characterization of nearby habitable planetary systems

The NEAT (Nearby Earth Astrometric Telescope) mission is a proposal submitted to ESA for its 2010 call for M-size mission within the Cosmic Vision 2015-2025 plan. The main scientific goal of the NEAT mission is to detect and characterize planetary systems in an exhaustive way down to 1 Earth mass in the habitable zone and further away, around nearby stars for F, G, and K spectral types. This survey would provide the actual planetary masses, the full characterization of the orbits including their inclination, for all the components of the planetary system down to that mass limit. NEAT will continue the work performed by Hipparcos and Gaia by reaching a precision that is improved by two orders of magnitude on pointed targets.Comment: 17 pages, in SPIE 2012 symposium in "Space Telescopes and Instrumentation 2012: Optical, Infrared, and Millimeter Wave" SPIE Conference 8442, 1

Microarcsecond astrometric observatory Theia: from dark matter to compact objects and nearby earths

Theia is a logical successor to Gaia, as a focused, very high precision astrometry mission which addresses two key science objectives of the ESA Cosmic Vision program: the nature of dark matter and the search for habitable planets. Theia addresses a number of other science cases strongly synergistic with ongoing/planned missions, such as the nature of compact objects, motions of stars in young stellar clusters, follow-up of Gaia objects of interest. Theia s "point and stare" operational mode will enable us to answer some of the most profound questions that the results of the Gaias survey will ask. Extremely-high-precision astrometry at 1-μas level can only be reached from space. The Theia spacecraft, which will carry a 0.8-m telescope, is foreseen to operate at L2 for 3,5 years. The preliminary Theia mission assessment allowed us to identify a safe and robust mission architecture that demonstrates the mission feasibility within the Soyuz ST launch envelope and a small M-class mission cost cap. We present here these features of the mission that has been submitted to the last ESA M4 call in January 2015

NEAT : a spatial telescope to detect nearby exoplanets using astrometry

Dans l'état actuel des techniques de détection des exoplanètes, aucune planète tellurique du Système Solaire ne pourrait être détectée et pourtant leur présence est une contrainte très forte sur les scénarios de formation des systèmes planétaires. L'astrométrie, en mesurant l'effet reflex des planètes sur leur étoile centrale, permet de remonter à la masse des planètes et aux paramètres orbitaux. C'est une technique très utilisée pour la détermination des masses et des orbites des étoiles binaires et couronnée de succès. Il est nécessaire d'aller dans l'espace pour atteindre les précisions nécessaires pour détecter toutes les planètes jusqu'aux masses telluriques. Le Laboratoire est engagé dans un projet qui a été proposé à l'ESA dans le cadre de l'appel à mission M3 de Cosmic Vision et qui a pour objectif de recenser toutes les planètes de notre voisinage solaire. Le principe est d'utiliser l'astrométrie différentielle pour compléter les mesures obtenues par les autres techniques afin de descendre le seuil de détection et de caractérisation au niveau de la masse terrestre dans la zone habitable de chaque système. Nous voulons explorer de façon exhaustive toutes les étoiles de type solaire (type spectral FGK) jusqu'à 20pc de notre Soleil. Le concept du satellite repose en l'état actuel de l'étude sur du vol en formation avec un satellite portant le miroir et un satellite portant le plan focal. La mesure est faite par une métrologie à base interférométrique.Le sujet de la thèse consiste à avancer d'une part sur la définition du cas scientifique et d'autre part sur la spécification de l'instrument et des procédures d'observation. En ce qui concerne le cas scientifique, il s'agit d'établir une stratégie d'observation optimale pour recenser et caractériser de manière exhaustive tous les systèmes planétaires de notre voisinage. A l'aide de simulations numériques, l'étudiant pourra établir une stratégie de réduction des données permettant de remonter aux paramètres des orbites planétaires. Il s'agira aussi de participer à l'établissement du budget d'erreur de l'instrument et à la définition des modes d'observation. L'étudiant sera aussi mené à mettre en œuvre des tests de performance de la mesure dans le cadre d'une étude expérimentale. Cette thèse se déroulera dans le cadre de la collaboration européenne sur le sujet et des contacts seront aussi tissés avec nos collègues du JPL qui maitrisent la métrologie.With the present state of exoplanet detection techniques, none of the rocky planets of the Solar System would be detected and indeed their presence is a very strong constraint on the scenarios of the formation of planetary systems. Astrometry by measuring the reflex effect of planets on their central host stars, lead us to the mass of planets and to their orbit determination. This technique is used frequently and is very successful to determine the masses and the orbits of binary stars. However it is necessary to go to space to reach the precision required to detect all planets down to the telluric regime.We are proposing a mission to ESA in the framework of the call for M3 mission in the Cosmic Vision plan whose objective is to make a full census of all exoplanets in our Solar neighborhood. The objectif is to use differential astrometry to complete the measurements obtained by other techniques in order to lower the threshold of detection and characterization to the level of an Earth mass in the habitable zone of each system. We want to explore in an exhaustive manner all solar-type stars (FGK spectral type) up to 20pc from the Sun. The satellite concept is based on formation flying technology with a satellite carrying a single primary mirror and another satellite carrying the focal plane. The measure is done using laser metrology using interferometry.The topic of the thesis consists in making progress on the definition of the science case and on the specification of the instrument and the observing procedures. Concerning the science case, an optimized observing strategy has to be defined to exhaustively detect and characterize all planetary systems in the solar neighborhood. Using numerical simulations, the student will establish a strategy for data reduction that allows him to fit all orbital parameters of the systems. A participation to the computation of error budget of the instrument and to the definition of observing modes is expected too. The candidate can also carry out performance tests using existing testbeds or developing new ones. This thesis will take place in the framework of the European collaboration on this topic and contacts will be made with our JPL colleagues who master the metrology technique