Traitement du signal en astronomie

Transcription

1 Traitement du signal en astronomie François Orieux Laboratoire des Signaux et Systèmes CNRS CentraleSupélec Université Paris-Sud Groupe Problèmes Inverses

2 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

3 Le traitement du signal Les signaux sont les porteurs de l information

4 Support physique de l information 1D : son, spectre 2D : image 3D : vidéos, cube hyper-spectrale Analogique : signal électrique, onde électromagnétique Numérique : pratique, stockable, traitable

5 Joseph Fourier ( )

6 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

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

8 Signal en astronomie Rayonnement électro-magnétique : la lumière. Ondes gravitationnelles Astro-particules Beaucoup plus varié dans le système solaire Chimie Solide, etc.

9 Rayonnement électro-magnétique

10 Ondes radio

11 Ondes radio Grandes longueurs d onde De 1 mm à plusieurs km Peu énergétique L atmosphère est transparent Sciences : Gaz froids (~ K) Poussières Premières Galaxie

12 Redshift

13 Ondes radio : ALMA interférométrie

14 Exemples : imagerie composite ALMA-Hubble

15 Exemple : disque proto planétaire

16 Micro-ondes, Infrarouge Spitzer

17 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

18 Exemples

19 JWST Proche infrarouge 6.5m de diamètre!

20 Visible VLT ESO

21 Hubble Space Telescope HST

22 Visible Atmosphère transparente Mais elle brouille : image plus floue Le spatiale améliore la résolution et la sensibilité Observation : Étoiles Galaxies Cosmologie

23 Champ profond de Hubble Ultra deep field Un bouton de chemise à 25 mètres Infrarouge à l ultraviolet

24 Ultraviolet Extreme Ultraviolet Explorer EUVE NASA

25 Ultraviolet Courte longueur d onde Énergétique Objet compacte étoiles Composition chimique

26 Exemples

27 Comparaison

28 Rayon X Chandra

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

30 Exemples Kepler rouge IR jaune visible bleu X

31 Exemples Nébuleuse du crabe bleu X rouge visible

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

33 Exemples Sagitarius A trou noir hypermassif a centre de la voie lactée

34 Rayon Gamma Ne peut pas être focalisés, trop énergétique Traverse la matière Pas d image Observation des sursauts gamma

35 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

36 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.

37 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

38 Planck : séparation de composante

39 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

40 Observation de la voûte céleste

41 Fond diffuus

42 Big bang

43 Imagerie

44 Imagerie

45 Spectre du CMB

46 Particules et bruit impulsionnel

47 Imagerie et diffuraction

48 Réponse impulsionnelle RI de Hubble

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

50 Deconvolution

51 Deconvolution

52 Deconvolution Herschel

53 Détection des ondes gravitationnelle Distorsion de l espace temps Distorsion qui se propage comme une onde Ex : deux trous noir en rotation

54 Principe de détection

55 LIGO GW Bruit de fond à long terme

56 LIGO zoom Bruit de fond à court terme

57 LIGO spectre Spectre : filtrage notch, ou coupe bande

58 LIGO clean Détection de l onde et correspondance de la forme

59 LIGO temps-fréquence Visualisation temps fréquence

60 Séparation de sources Vitesses des nuages gaz chaud et froid

61 Séparation de sources Vitesses des gaz chauds et froids

62 Séparation de sources

63 Machine learning