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