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Français
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Écrit par
Clément Buton
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Thesee
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N˚d’ordre : 303-2009 Ann´ee 2009
` ´THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE Claude Bernard (Lyon 1)
Sp´ecialit´e
Cosmologie observationnelle
Pr´esent´ee par
M. Cl´ement BUTON
en vue de l’obtention du grade de
´DOCTEUR de L’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD (Lyon 1)
´Etalonnage spectro-photom´etrique du
SuperNova Integral Field Spectrograph
dans le cadre du projet
the Nearby Supernova Factory
Soutenue publiquement le 8 d´ecembre 2009 devant la commission d’examen form´ee de :
Mme. V. RUHLMANN-KLEIDER Pr´esidente du jury
M. G. SMADJA Directeur de th`ese
M. Y. COPIN Directeur de th`ese
Mme. G. SOUCAIL Rapporteur
M. N. REGNAULT Rapp
M. M. KOWALSKI Examinateur
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011ii
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011Remerciements
Bien que di!ciles `a de nombreux ´egards, j’ai r´eellement appr´eci´e mes ann´ees de th`ese, non
seulement parce que j’ai eu la chance de faire un travail qui me passionne, mais surtout parce
que j’ai eu le bonheur de travailler avec des chefs, des coll`egues et des amis remarquables. Je
profite donc de ces quelques lignes pour leur exprimer ma gratitude :
`AYannick,G´erardetGregquim’onttoutappriscestroisderni`eresann´eesetquejeneremercie-
rai jamais assez pour leurs conseils, leur patience et leur investissement dans mon encadrement
et mon travail.
`A l’ensemble des membres du jury pour le temps et l’attention qu’ils ont consacr´e `a la relecture
et `a l’am´elioration de mon manuscrit.
`A la triade de l’IPNL; Nico, Bizut et ’Mr Pereira’, ainsi qu’`a Nil et Dim du LPMCN pour leur
amiti´e et la super ambiance au labo et surtout en dehors.
` ´AtoutelacollaborationSNfactoryenFranceetauxEtats-Unisaveclaquellej’aieu´enorm´ement
deplaisir`atravailler.Jepenseparticuli`erement`aNo¨el,ManuetManu,Pierre,Reynald,Stephen
et Rollin qui ont toujours r´epondu pr´esent lorsque j’avais besoin d’un coup de main. J’aimerais
tout sp´ecialement remercier Seb ’ZeFrog’ pour son soutient inconditionnel, tous ses conseils et
sa bonne humeur de troll au moment ou` j’en avais le plus besoin.
`A la r´egion rhˆone-alpes pour m’avoir accord´e la bourse explora’doc grˆace `a laquelle j’ai pu ef-
fectuer un tiers de ma th`ese `a Berkeley.
Il me tient ´egalement `a cœur de remercier Lionel et Philippe des services m´ecanique du CRAL
et du LPNHE pour leur accueil, leur gentillesse et les soir´ees ’Ma¨ı ta¨ı’ lors de ces dix jours `a
Hawaii que je ne suis pas pr`es d’oublier.
Pourterminer,j’aimerairemercierJuliedem’avoirsoutenuetoutaulongdemes´etudesetd’ˆetre
toujours l`a aujourd’hui...
iii
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011iv
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011Table des mati`eres
Introduction 1
I Contexte scientifique 3
1 Cosmologie observationnelle et supernovæ 5
1.1 Contexte scientifique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Mod`ele de Friedmann-Lemaˆıtre Robertson-Walker ............. 5
1.1.2 Expansion de l’univers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 Param`etres cosmologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Mod`ele de concordance cosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3 Observables cosmologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Distance de luminosit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.2 angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.3 Autres observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Exp´eriences majeures en cosmologie observationnelle . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.1 Fond di"us cosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2 Grandes structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4.3 Supernovæ de type Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.5 Explosion des supernovae de type Ia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.1 Prog´eniteur et m´ecanisme d’explosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5.2 Chandelles standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.3 SNe Ia comme sonde de l’´energie noire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.4 Pourquoi les SNe Ia proches sont-elles n´ecessaires? . . . . . . . . . . . . . 19
1.5.5 Analyse cosmologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 The Nearby SuperNova Factory 23
2.1 Pr´esentation de la collaboration SNfactory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 Spectro-photom´etrie : une nouvelle fa¸con d’observer les SNe Ia . . . . . . . . . . 24
2.2.1 Photom´etrie/spectrographie `a champ int´egral . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 The SuperNova Integral Field Spectrograph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Principe de l’IFS et spectrographie 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 Voie photom´etrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.3.3 Poses d’´etalonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Extraction des spectres du CCD et cr´eation des cubes de donn´ees . . . . . . . . . 28
2.4.1 Masque d’extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.2 Extraction des spectres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
´2.4.3 Etalonnage spectro-spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
v
tel-00465853, version 2 - 15 Feb 2011`TABLE DES MATIERES
3 Observations et prise de donn´ees 35
3.1 Recherche des supernovæ au mont Palomar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2 Suivie spectro-photom´etrique des supernovæ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Les donn´ees SNfactory en quelques chi"res. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
II Extraction des sources ponctuelles 41
4 Turbulences atmosph´eriques et fonction d’´etalement de point 43
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Les turbulences atmosph´eriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.1 Structure des turbulences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Fonction d’´etalement de point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3.1 Param`etre de Fried et seeing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.4 Historique de l’´elaboration de la PSF dans la collaboration . . . . . . . . . . . . 46
4.5 Profil radial de Kolmogorov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5 Mod`ele analytique de la fonction d’´etalement de point 49
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2 Mod`ele analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Corr´elations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.3.1 ! (rayon de la Mo"at) vs. " (exposant de la Mo"at) . . . . . . . . . . . . 52
5.3.2 ! (rayon de la Mo"at) vs. # (rayon de la gaussienne) . . . . . . . . . . . . 52
5.3.3 ! (rayon de la mo"at) vs. $ (poids relatif des fonctions gaussienne/Mo"at) 52
5.3.4 R´esultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.4 Variabilit´e atmosph´erique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4.1 Masse d’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4.2 Seeing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.5 Focalisation et ellipticit´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.5.1 Variation de la focalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.6 Comparaisons au mod`ele Kolmogorov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.6.1 Profil radial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.6.2 Chromaticit´e de la PSF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6 Extraction de sources ponctuelles 67
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.2 M´ethode d’extraction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
6.3 Mise en œuvre et aspects pratiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.3.1 R´efraction atmosph´erique di"´erentielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.4 Phases de l’extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.4.1 Pr´e-ajustement 2D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6.4.2 Mod´elisation chromatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.4.3 Ajustement 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .