Étalonnage spectro-photométrique du SuperNova Integral Field Spectrograph dans le cadre du projet the Nearby Supernova Factory, Spectro-photometric calibration of the SuperNova Integral Field Spectrograph in the Nearby Supernova Factory collaboration framework

Clément Buton

Description

Sous la direction de Gérard Smadja, Yannick Copin
Thèse soutenue le 08 décembre 2009: Lyon 1
Il y a près d’une décennie, l'utilisation des supernovae de type Ia comme indicateurs de distances a permis de découvrir l'expansion accélérée de l'univers. Les expériences de seconde génération ont augmenté de manière significative la taille et la qualité des échantillons à grand décalage vers le rouge. Cependant, l'échantillon de référence des supernovae à faible décalage vers le rouge, nécessaire à la cosmologie restait très restreint. The Nearby Supernova Factory a mesuré, à l'aide d'un instrument spectro-photométrique dédié (the Supernova Integral Field Sepctrograph), près de 200 nouvelles supernovae de type Ia. Ma thèse de doctorat a été effectuée à l'Institut de Physique Nucléaire de Lyon et au Lawrence Berkeley National Laboratory dans le cadre du projet international the Nearby Supernova Factory et a pour but l'étalonnage spectro-photométrique du spectrographe à champ intégral. Afin d'atteindre la précision souhaitée, une attention particulière a été apportée à plusieurs aspects majeurs de la procédure d'étalonnage, incluant: la détermination de la réponse impulsionnelle de l'instrument en vue de l'extraction 3D de sources ponctuelles, l'estimation de la qualité photométrique d'une nuit, l'obtention de l'extinction atmosphérique par nuit sur un domaine de longueur d'onde étendu, sa modélisation en terme de composantes physiques et sa variabilité au cours d'une nuit donnée. Une chaîne d'étalonnage multi-standard a été mis en \oe{}uvre utilisant approximativement 4000 observations spectro-photométriques d'étoiles standards. J'exposerai également à la fin de ce manuscrit les résultats scientifiques préliminaires de la collaboration SNfactory.
-Spectro-photometrie
-Spectrographe à champ intégral
-Fonction d’étalement de point
-Extinction atmosphérique
-Calibration en flux
-Supernovæ de type Ia
-Cosmologie
Ten years ago, type Ia supernovae used as distances indicators led to the discovery of the accelerating expansion of the universe. Today, a second generation of surveys has significantly increased the high-redshift type Ia supernovae sample. The low-redshift sample was however still limiting the cosmological analysis using SNe. In this framework, the Nearby Supernova Factory has followed 200 nearby type Ia supernovae using the dedicated Supernovae Integral Field Spectrograph with spectro-photometric capacities. My PhD thesis has been carried out at the Institut de Physique Nucléaire de Lyon and at the Lawrence Berkeley National Laboratoryin the framework of the international cosmological project SNfactory. In order to reach the design spectrophotometric accuracy, attention has been focused on several key aspects of the calibration procedure, including: determination of a dedicated point spread function for 3D point source extraction, estimating the nightly photometric quality, derivation of the nightly sky extinction over the extended optical domain, its modeling in terms of physical components and its variability within a given night. A full multi-standards calibration pipeline has been implemented using approximately 4000 observations of spectrophotometric standard stars taken throughout the night over nearly 500 individual nights. Preliminary scientific results of the whole SNfactory collaboration will be presented at the end of this thesis.
-Spectro-photometry
-Integral field spectrograph
-Point source function
-Atmospheric extinction
-Flux calibration
-Type Ia supernovæ
-Cosmology
Source: http://www.theses.fr/2009LYO10303/document

Sujets

• Cosmologie

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 40
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 36 Mo

Extrait

N˚d’ordre : 303-2009 Ann´ee 2009
` ´THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE Claude Bernard (Lyon 1)
Sp´ecialit´e
Cosmologie observationnelle
Pr´esent´ee par
M. Cl´ement BUTON
en vue de l’obtention du grade de
´DOCTEUR de L’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD (Lyon 1)
´Etalonnage spectro-photom´etrique du
SuperNova Integral Field Spectrograph
dans le cadre du projet
the Nearby Supernova Factory
Soutenue publiquement le 8 d´ecembre 2009 devant la commission d’examen form´ee de :
Mme. V. RUHLMANN-KLEIDER Pr´esidente du jury
M. G. SMADJA Directeur de th`ese
M. Y. COPIN Directeur de th`ese
Mme. G. SOUCAIL Rapporteur
M. N. REGNAULT Rapp
M. M. KOWALSKI Examinateur
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011ii
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011Remerciements
Bien que di!ciles `a de nombreux ´egards, j’ai r´eellement appr´eci´e mes ann´ees de th`ese, non
seulement parce que j’ai eu la chance de faire un travail qui me passionne, mais surtout parce
que j’ai eu le bonheur de travailler avec des chefs, des coll`egues et des amis remarquables. Je
profite donc de ces quelques lignes pour leur exprimer ma gratitude :
`AYannick,G´erardetGregquim’onttoutappriscestroisderni`eresann´eesetquejeneremercie-
rai jamais assez pour leurs conseils, leur patience et leur investissement dans mon encadrement
et mon travail.
`A l’ensemble des membres du jury pour le temps et l’attention qu’ils ont consacr´e `a la relecture
et `a l’am´elioration de mon manuscrit.
`A la triade de l’IPNL; Nico, Bizut et ’Mr Pereira’, ainsi qu’`a Nil et Dim du LPMCN pour leur
amiti´e et la super ambiance au labo et surtout en dehors.
` ´AtoutelacollaborationSNfactoryenFranceetauxEtats-Unisaveclaquellej’aieu´enorm´ement
deplaisir`atravailler.Jepenseparticuli`erement`aNo¨el,ManuetManu,Pierre,Reynald,Stephen
et Rollin qui ont toujours r´epondu pr´esent lorsque j’avais besoin d’un coup de main. J’aimerais
tout sp´ecialement remercier Seb ’ZeFrog’ pour son soutient inconditionnel, tous ses conseils et
sa bonne humeur de troll au moment ou` j’en avais le plus besoin.
`A la r´egion rhˆone-alpes pour m’avoir accord´e la bourse explora’doc grˆace `a laquelle j’ai pu ef-
fectuer un tiers de ma th`ese `a Berkeley.
Il me tient ´egalement `a cœur de remercier Lionel et Philippe des services m´ecanique du CRAL
et du LPNHE pour leur accueil, leur gentillesse et les soir´ees ’Ma¨ı ta¨ı’ lors de ces dix jours `a
Hawaii que je ne suis pas pr`es d’oublier.
Pourterminer,j’aimerairemercierJuliedem’avoirsoutenuetoutaulongdemes´etudesetd’ˆetre
toujours l`a aujourd’hui...
iii
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011iv
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011Table des mati`eres
Introduction 1
I Contexte scientifique 3
1 Cosmologie observationnelle et supernovæ 5
1.1 Contexte scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Mod`ele de Friedmann-Lemaˆıtre Robertson-Walker ............. 5
1.1.2 Expansion de l’univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 Param`etres cosmologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Mod`ele de concordance cosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Observables cosmologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Distance de luminosit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.3 Autres observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Exp´eriences majeures en cosmologie observationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Fond di"us cosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Grandes structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 Supernovæ de type Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Explosion des supernovae de type Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.1 Prog´eniteur et m´ecanisme d’explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.2 Chandelles standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.3 SNe Ia comme sonde de l’´energie noire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.4 Pourquoi les SNe Ia proches sont-elles n´ecessaires? . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.5 Analyse cosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 The Nearby SuperNova Factory 23
2.1 Pr´esentation de la collaboration SNfactory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Spectro-photom´etrie : une nouvelle fa¸con d’observer les SNe Ia . . . . . . . . . . 24
2.2.1 Photom´etrie/spectrographie `a champ int´egral . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 The SuperNova Integral Field Spectrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Principe de l’IFS et spectrographie 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 Voie photom´etrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Poses d’´etalonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Extraction des spectres du CCD et cr´eation des cubes de donn´ees . . . . . . . . . 28
2.4.1 Masque d’extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2 Extraction des spectres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
´2.4.3 Etalonnage spectro-spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
v
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011`TABLE DES MATIERES
3 Observations et prise de donn´ees 35
3.1 Recherche des supernovæ au mont Palomar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Suivie spectro-photom´etrique des supernovæ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Les donn´ees SNfactory en quelques chi"res. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
II Extraction des sources ponctuelles 41
4 Turbulences atmosph´eriques et fonction d’´etalement de point 43
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Les turbulences atmosph´eriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.1 Structure des turbulences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Fonction d’´etalement de point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.1 Param`etre de Fried et seeing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4 Historique de l’´elaboration de la PSF dans la collaboration . . . . . . . . . . . . 46
4.5 Profil radial de Kolmogorov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 Mod`ele analytique de la fonction d’´etalement de point 49
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Mod`ele analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Corr´elations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3.1 ! (rayon de la Mo"at) vs. " (exposant de la Mo"at) . . . . . . . . . . . . 52
5.3.2 ! (rayon de la Mo"at) vs. # (rayon de la gaussienne) . . . . . . . . . . . . 52
5.3.3 ! (rayon de la mo"at) vs. $ (poids relatif des fonctions gaussienne/Mo"at) 52
5.3.4 R´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.4 Variabilit´e atmosph´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4.1 Masse d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4.2 Seeing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.5 Focalisation et ellipticit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.5.1 Variation de la focalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.6 Comparaisons au mod`ele Kolmogorov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.6.1 Profil radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.6.2 Chromaticit´e de la PSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6 Extraction de sources ponctuelles 67
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2 M´ethode d’extraction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3 Mise en œuvre et aspects pratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.3.1 R´efraction atmosph´erique di"´erentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.4 Phases de l’extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.4.1 Pr´e-ajustement 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.4.2 Mod´elisation chromatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.4.3 Ajustement 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .