Traitement du signal en astronomie

François Orieux

Laboratoire des Signaux et Systèmes – CNRS – CentraleSupélec –

Université Paris-Sud

Groupe Problèmes Inverses

orieux@l2s.centralesupelec.fr

Présentation

● Enseignant-Chercheur L2S● Méthodes de résolution de problèmes inverses● Traitement du signal● Reconstruction d’«images»● Problèmes myopes, non-supervisés● Séparation de sources, optimisation, MCMC● Astronomie, microscopie biologique

Le traitement du signal

Les signaux sont les porteurs de l’information

Support physique de l’information

● 1D : son, spectre● 2D : image● 3D : vidéos, cube hyper-spectrale● Analogique : signal électrique, onde

électromagnétique● Numérique : pratique, stockable, traitable

Joseph Fourier (1768 – 1830)

FFT (ou Fast Fourier Transform)

● James Cooley et John Tukey en 1965● Traitement du signal moderne numérique● Besoin en sonar et radar (second guerre

mondiale)● Suivi des notions de signal, bruit, message,

transmission, contrôle● Th. de l’information de Claude Shannon

Partout

● Téléphonie● ADSL, fibre● Compression vidéo, sons● Photographie numérique● Reconnaissance, apprentissage, IA● Partout où il y a des mesures

Signal en astronomie

● Rayonnement électro-magnétique : la lumière.● Ondes gravitationnelles● Astro-particules● Beaucoup plus varié dans le système solaire

– Chimie

– Solide, etc.

Rayonnement électro-magnétique

Ondes radio

Ondes radio

● Grandes longueurs d’onde● De 1 mm à plusieurs km● Peu énergétique● L’atmosphère est transparent● Sciences :

– Gaz froids (~ 10-20 K)

– Poussières

– Premières Galaxie

Redshift

Ondes radio  : ALMA – interférométrie

Exemples  : imagerie composite ALMA-Hubble

Exemple  : disque proto planétaire

Micro-ondes, Infrarouge

Spitzer 2003 – 2009

Infrarouges

● Chaleur des objets (tout est chaud)● Gaz chauffé par une étoile par exemple● Objet invisible sinon (pas d’émission de «lumière»)● Formation d’étoiles, galaxie lointaine● Première lumière d’une exo-planète par Spitzer● Atmosphère opaque : observation spatiale● Télescope refroidit

Exemples

JWST

Proche infrarouge – 6.5m de diamètre !

Visible

VLT – ESO

Hubble Space Telescope – HST

Visible

● Atmosphère transparente● Mais elle brouille : image plus floue● Le spatiale améliore la résolution et la sensibilité● Observation :

– Étoiles

– Galaxies

– Cosmologie

Champ profond de Hubble

Ultra deep field – Un bouton de chemise à 25 mètres – Infrarouge à l’ultraviolet

Ultraviolet

Extreme Ultraviolet Explorer – EUVE NASA

Ultraviolet

● Courte longueur d’onde● Énergétique● Objet compacte – étoiles● Composition chimique

Exemples

Comparaison

Rayon X

Chandra

Rayon X

● Bloqué par l’atmosphère (heureusement)● Très énergétique● Difficile à focaliser● Étoiles à neutron● Rémanence de supernova● Trou noir massif

Exemples

Kepler – rouge IR – jaune visible – bleu X

Exemples

Nébuleuse du crabe – bleu X – rouge visible

Exemples

Nébuleuse du crabe – Étoile à neutron (ou pulsar) à grande rotation, champ magnétique intense, expulsion de matière

Exemples

Sagitarius A – trou noir hypermassif a centre de la voie lactée

Rayon Gamma

● Ne peut pas être focalisés, trop énergétique● Traverse la matière● Pas d’image● Observation des sursauts gamma

Deux types de mesures

● L’objet est 3D : – deux dimensions spatiales, comme une image

– une dimension spectrale, la «couleur»

● Imagerie : mesure une image dans une bande spectrale plus ou moins fine

● Spectroscopie : mesure le spectre en un point donné

● IFU : combinaison des deux

Problèmes rencontrés

● Limitation des instruments :– Sensibilité

– Dégradation de l’information

– Transformation de l’information

– Bruits

● Superposition des sources● Observation indirectes : détection des exoplanètes

par variations des intensités de l’étoile centrale.

Traitement du signal en astronomie

● Extrêmement varié● Absolument nécessaire● Très évolué avec beaucoup d’intéraction avec

la recherche en IT● Pour débruiter et « améliorer » les mesures● Et interpréter les mesures

Planck  : séparation de composante

Arno Penzias et Robert Woodrow Wilson

1964 – Laboratoire Bell – New Jersey

David Todd Wilkinson et Peter Roll, collègues de Dicke à l'université de Princeton

Observation de la voûte céleste

Fond diffuus

Big bang

Imagerie

Imagerie

Spectre du CMB

Particules et bruit impulsionnel

Imagerie et diffuraction

Réponse impulsionnelle

RI de Hubble

Diffuraction

● Introduction d’un flou spatial● Introduction d’un flou spectral● Flou change avec la longueur d’onde● Important à partir de l’infrarouge

Deconvolution

Deconvolution

Deconvolution Herschel

Détection des ondes gravitationnelle

● Distorsion de l’espace temps● Distorsion qui se propage comme une onde● Ex : deux trous noir en rotation

Principe de détection

LIGO GW1501114

Bruit de fond à long terme

LIGO zoom

Bruit de fond à court terme

LIGO spectre

Spectre : filtrage notch, ou coupe bande

LIGO clean

Détection de l’onde et correspondance de la forme

LIGO temps-fréquence

Visualisation temps fréquence

Séparation de sources

Vitesses des nuages gaz chaud et froid

Séparation de sources

Vitesses des gaz chauds et froids

Séparation de sources

Machine learning