Imagerie différentielle de cohérence : une nouvelle technique de traitement du signal pour la première image d'une exoplanète en zone habitable // Coherent differential imaging: a new image processing techniques towards the first image of a habitable zone

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 de développer et valider une techniques innovantes de post-traitement pour la détection d'exoplanètes. Contrairement aux méthodes traditionnelles, qui s'appuient sur la diversité angulaire ou spectrale pour différencier la lumière planétaire de la lumière stellaire, ce projet vise à exploiter une approche fondée sur la cohérence de la lumière: la Coherent Differential Imaging (CDI).
Cette thèse se concentrera sur deux approches complémentaires :
1) CDI par l'apprentissage automatique, en utilisant des réseaux de neurones convolutifs (CNN) entraînés sur des données simulées pour permettre une détection plus rapide et plus robuste des planètes ; 2) développer une nouvelle méthode de CDI basée sur une autre technique de modulation, explorant ainsi son adaptation en tant que méthode de post-traitement sans modèle et en une seule image.Dans un premier temps, les outils de simulation coronographique existants, développés en Python, seront utilisés et améliorés pour concevoir des algorithmes innovants. Ensuite, des tests seront menés sur le banc d'essai THD2 à l'Observatoire de Paris afin de valider les performances de l'algorithme dans des conditions réalistes. Enfin, le ou la doctorant(e) participera à des campagnes d'observation au Very Large Telescope (VLT) au Chili, où l'algorithme sera testé avec l'instrument SPHERE+.
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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 primary objective of this PhD is to develop and validate innovative post-processing techniques for the detection of exoplanets in coronagraphic images. Unlike traditional methods that rely on angular or spectral diversity to differentiate planetary and stellar light, this project is to develop Coherent Differential Imaging (CDI) to exploit the fundamental property of light coherence.
The PhD will focus on two complementary approaches: 1) Enhancing CDI with machine learning: improve this technique using convolutional neural networks (CNNs) trained on simulated data, enabling faster and more robust planet detection. 2) Developing a new CDI method using another modulation technique. This PhD will explore how to adapt this technique for single-frame model free post-processing method.

The PhD will employ a combination of simulation and experimental validation. First, use and develop existing coronagraphic simulation tools in python to develop innovative algorithms, then conduct tests on the THD2 testbed to validate the algorithm's performance under realistic conditions, and finaly participate in observing runs at the Very Large Telescope in Chile to test the algorithm with the SPHERE+ instrument.
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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.