Combiner la spectroscopie à champ intégral et la coronographie : nouvelles techniques optiques pour imager les exoplanètes en zone habitable avec les futurs instruments spatiaux et au sol // Combining integral field spectroscopy and coronagraphy: new opti

L'imagerie directe des exoplanètes représente l'un des domaines les plus passionnants et en pleine expansion de l'astronomie contemporaine. Cette méthode permet d'étudier les atmosphères des exoplanètes en capturant directement la lumière émise ou réfléchie par ces mondes lointains. Bien que la technologie actuelle permette déjà de caractériser les grandes planètes gazeuses, l'objectif ultime de l'imagerie directe est d'étendre cette capacité aux planètes de type terrestre. Une telle avancée permettrait de mesurer la composition de leurs atmosphères, voire de rechercher des biosignatures potentielles, marquant ainsi une étape majeure dans notre compréhension des systèmes planétaires au-delà du nôtre. Cependant, le contraste extrême entre la luminosité des étoiles hôtes et la faible lumière de leurs planètes en orbite constitue un défi instrumental redoutable. Détecter une exoplanète dans ce contexte revient à repérer une luciole à côté d'un phare depuis des milliers de kilomètres.
Les coronographes sont des instruments optiques sophistiqués spécialement conçus pour relever ce défi. Leur fonction principale est d'atténuer la lumière aveuglante des étoiles, permettant ainsi de détecter le signal bien plus faible des exoplanètes. La prochaine génération de télescopes géants, incluant le Extremely Large Telescope (ELT) européen au Chili et le Habitable Worlds Observatory (HWO), la prochaine mission phare de la NASA, s'appuiera fortement sur ces techniques coronographiques avancées. Ces télescopes visent à imager des planètes de type terrestre situées dans les zones habitables des étoiles proches. Le Planetary Camera and Spectrograph (PCS), un instrument coronographique de deuxième génération prévu pour l'ELT, est spécifiquement conçue pour explorer les zones habitables autour des naines rouges, où des planètes rocheuses pourraient potentiellement exister. Parallèlement, HWO se concentrera sur la détection de planètes dans les zones habitables autour d'étoiles similaires à notre Soleil. Ces deux missions ambitieuses nécessitent le développement de nouvelles techniques coronographiques pour atteindre les niveaux extrêmes de suppression de la lumière stellaire nécessaires à la détection de ces mondes lointains et ténus.
Le projet ECHOES, dirigé par Johan Mazoyer et financé par l'European Research Council (ERC), vise à faire progresser de manière significative le domaine de l'imagerie des exoplanètes en développant des techniques coronographiques innovantes adaptées à ces missions. Cette offre de thèse est déjà intégralement financée dans le cadre du projet ERC ECHOES.

L'objectif principal de cette thèse est d'intégrer les coronographes avec des optiques activement contrôlables, telles que les miroirs déformables, et des technologies multi-longueurs d'onde (spectroscopie à champ intégral), afin de créer des régions dans l'image où la lumière stellaire est activement supprimée pour révéler des exoplanètes cachées qui seraient autrement perdues dans l'éclat de leurs étoiles hôtes. Le but principal de cette thèse est de développer un nouvel algorithme actif capable de réaliser une suppression en temps réel de la lumière stellaire sur toutes les longueurs d'onde.

Le ou la candidat(e) commencera par développer le nouvel algorithme en simulation, en utilisant des outils de calcul avancés pour modéliser et affiner ses performances. Ensuite, il ou elle validera l'efficacité de l'algorithme dans des conditions de laboratoire contrôlées, en utilisant une plateforme expérimentale optique à l'Observatoire de Paris. Cette étape est cruciale pour garantir la robustesse et la fiabilité de l'algorithme. Enfin, le ou la candidat(e) aura l'opportunité de démontrer les capacités de l'algorithme au Very Large Telescope au Chili, où il sera rapidement appliqué à la détection et à la caractérisation des exoplanètes.
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Direct imaging of exoplanets represents one of the most thrilling and rapidly advancing domains in contemporary astronomy. This method enables the study of exoplanetary atmospheres by capturing light directly emitted or reflected by these distant worlds. While current technology already allows the characterization of large gas giants, the ultimate ambition of direct imaging is to extend this capability to Earth-like planets. Such an achievement would enable the measurement of atmospheric compositions and even the search for potential biosignatures, marking a monumental leap in our understanding of planetary systems beyond our own. However, the extreme contrast between the brightness of host stars and the faint light of their orbiting planets poses a formidable instrumental challenge. Detecting an exoplanet in this context is comparable to spotting a firefly next to a lighthouse from thousands of kilometers away.
Coronagraphs are sophisticated optical instruments specifically designed to address this challenge. Their primary function is to suppress the overwhelming starlight, thereby allowing the detection of the much fainter exoplanet signal. The next generation of giant telescopes, including the European Extremely Large Telescope (ELT) in Chile and NASA's Habitable Worlds Observatory, will heavily rely on these advanced coronagraphic techniques. These telescopes aim to image Earth-like planets located within the habitable zones of nearby stars. The Planetary Camera and Spectrograph (PCS), a second-generation coronagraphic instrument planned for the ELT, is specifically designed to explore the habitable zones around red dwarf stars, where rocky planets could potentially exist. Meanwhile, HWO will focus on detecting habitable-zone planets around stars similar to our Sun. Both of these ambitious missions require the development of new coronagraphic techniques to achieve the extreme levels of star light suppression necessary to detect these faint and distant worlds.The ECHOES project, led by Johan Mazoyer and funded by the European Research Council (ERC), aims to significantly advance the field of exoplanet imaging by developing innovative coronagraphic techniques tailored for these missions. This PhD opportunity is fully funded as part of the ECHOES ERC project.

The main objective of this doctoral research is to integrate coronagraphs with actively controllable optics (deformable mirrors), and multiwavelength technology (integral field spectroscopy), to create regions in the image where starlight is actively suppressed to reveals hidden exoplanets that would otherwise be lost in the glare of their host stars. The primary goal of this PhD is to develop a novel active algorithm capable of achieving real-time starlight suppression across all wavelengths.

The PhD candidate will begin by developing the new algorithm in simulation, leveraging advanced computational tools to model and refine its performance. Following this, the candidate will validate the algorithm's effectiveness under controlled laboratory conditions using an optical experimental platform at the Paris Observatory. This step is crucial for ensuring the algorithm's robustness and reliability. Finally, the candidate will have the opportunity to demonstrate the algorithm's capabilities at the Very Large Telescope in Chile, where it will be rapidly applied to the detection and characterization of exoplanets.
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Début de la thèse : 01/11/2026

Autre financement ou appel à projet

Observatoire de Paris

127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France

ECHOES est un projet interdisciplinaire qui valorise les compétences diverses : nous accueillons les candidats issus d'horizons très variés, même si vous n'avez jamais étudié l'astrophysique auparavant ! Les candidats doivent être titulaires d'un master en physique ou en astrophysique, en optique ou en informatique, et s'intéresser à l'instrumentation, au travail expérimental ou au traitement du signal. Une expérience en programmation (Python) est indispensable. Le candidat travaillera dans un environnement collaboratif, interdisciplinaire et international : la maîtrise de l'anglais, à l'écrit comme à l'oral, est requise pour une communication scientifique efficace.
ECHOES is an interdisciplinary project which values diverse expertise: we welcome applicants from a wide range of backgrounds, even if you never studied astrophysics previously! Candidates should hold a Master's degree in Physics or Astrophysics, Optics, or computer science, with an interest in instrumentation, experimental work or signal processing. Experience with programming (Python) is essential. The candidate will work in a collaborative, interdisciplinary and international environment: fluency in English, both written and spoken, is required for effective scientific communication.