Contexte

En juillet 2023, la publication des derniers résultats d’observation du James Webb telescope a montré des images inédites d’une exoplanète située à plus de 350 années-lumière du Soleil. Le James Webb telescope est entre autres équipé de l’instrument MIRI, en partie conçu par des laboratoires français, qui embarque un système coronographique grâce auquel la lumière provenant de l’étoile centrale est fortement atténuée, permettant ainsi d’obtenir des images des exoplanètes et d’étudier leur atmosphère.

Figure tirée de l’article en question (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acd93e/pdf) : à gauche l’image brute sans coronographe sur laquelle il est impossible de distinguer l’exoplanète, qui est « éblouie » par son étoile. A droite : avec le coronographe à contraste de phase, on cache l’étoile (sa position est indiquée par l’étoile blanche) et on observe l’exoplanète (point lumineux jaune). 

Problématique

Comment observer une exoplanète peu lumineuse proche de son étoile très brillante ? Ou plus précisément : Comment atténuer optiquement la lumière d’une étoile sans modifier l’image d’une exoplanète orbitant autour de cette dernière ?

C’est le principe de la coronographie : atténuer ou supprimer le flux d’un objet très brillant (une étoile) afin d’observer son environnement proche peu lumineux (une exoplanète).

Point de départ

Un article dans photoniques qui présente le montage d’une expérience simple de coronographie classique. Les composants optiques et le montage sont similaires à ceux utilisés dans les TP diffraction/filtrage de 1A.

Prototypes à réaliser

Il s’agira d’abord de mettre en évidence sur un banc optique le principe d’un coronographe classique (le masque dans le plan de Fourier est un disque opaque). Puis on étudiera les limites de ce montage et on remplacera le disque opaque par un masque de phase.

Finalité

On pourra proposer une mise à jour du TP 1A diffraction/filtrage pour montrer le principe du contraste de phase. Et/ou on pourra proposer un montage transportable destiné au grand public, à montrer à la fête de la science.

Travail à réaliser

Bibliographie sur la coronographie ; conception et montage d’un banc mettant en évidence le principe d’un coronographe classique puis à masque de phase ; interfaçage et traitement d’images.

Compétences et savoir-faire abordés

Optique instrumentale, optique de Fourier, alignements sur banc optique, traitement d’images. Faire le lien entre la théorie, un montage simple au laboratoire et les observations en condition réelle des exoplanètes par les télescopes aujourd’hui.

Ressources :

Modalités particulières

On peut envisager une prise de contact avec Anthony Boccaletti, directeur de recherche CNRS à l’Observatoire de Paris LESIA, responsable scientifique du coronographe de MIRI et co-auteur de l’article sur les derniers résultats du James Webb telescope.

Encadrement

  • Mme Jeanne Bernard, professeure agrégée, IOGS
  • Mme Fabienne Bernard, professeure agrégée, IOGS
  • Référent technique : M. Cédric Lejeune, Assistant-Ingénieur, IOGS