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