La majorité des 500 exoplanètes détectées à l'heure actuelle ont été découvertes soit par vélocimétrie radiale, soit par photométrie de transits. L'imagerie directe de planètes extra-solaires peut cependant donner accès à une multitude d'informations nouvelles telles que leur position orbitale et leur spectre. Toutefois, de telles images sont difficiles à obtenir à cause de la faible séparation angulaire et du grand rapport de flux entre les planètes et leur étoile hôte. Pour ces deux raisons, l'imagerie directe d'exoplanètes s'est limitée jusqu'à aujourd'hui à des cas favorables de planètes géantes très lumineuses orbitant loin de leur étoile. Le présent travail vise à développer les capacités d'imagerie à haute dynamique avec un ou plusieurs télescopes pour la détection et la caractérisation de systèmes planétaires. Dans la première partie de ce manuscrit, nous étudions l'utilisation de télescopes terrestres assistés par l'optique adaptative pour la détection de planètes extra-solaires ainsi que de leur complémentarité avec les instruments spatiaux. Des résultats obtenus avec la Well-Corrected Subaperture du Mt. Palomar sur des systèmes multiples serrés sont présentés pour illustrer cette étude. La seconde partie de ce travail est dédiée à l'interférométrie stellaire et annulante. Tout d'abord, nous présentons une nouvelle technique de réduction de données pour l'interférométrie utilisant les distributions statistiques d'intentsité et de contraste afin d'améliorer de manière significative la précision des mesures interférométriques. Cette méthode est ensuite appliquée au Palomar Fiber Nuller afin de contraindre la présence de poussières et de compagnons dans l'environnement stellaire direct de Vega, et de mesurer plusieurs diamètres angulaires d'étoiles avec une très haute précision. Enfin, nous introduisons un relevé que nous menons actuellement avec l'instrument interférométrique AMBER au Very Large Telescope (Paranal, Chili) visant à détecter des compagnons sub-stellaires autour d'étoiles jeunes.

Imager une exo-terre à proximité d’une étoile est une tâche complexe : le signal de la planète est noyé dans le flux immense de l’étoile, très proche. Doivent donc être combinés :- de grands télescopes spatiaux segmentés. La segmentation du miroir primaire facilite le transport mais crée des erreurs liées à l’alignement.- un coronographe, permettant d’éteindre la lumière stellaire. - enfin, toute aberration optique crée un résidu lumineux nuisible dans l’image. La mesure et le contrôle des aberrations d’un système coronographique, notamment celles liées à la segmentation du télescope, sont donc primordiaux et constituent le sujet de ma thèse.Tout d’abord, j’ai développé PASTIS, un modèle simplifié du contraste d’un coronographe en présence d’une pupille segmentée, permettant d’analyser facilement les performances pour contraindre les aberrations optiques lors du design de l’instrument. PASTIS prend en compte les spécificités des instruments : structure de la pupille, aberrations optiques dues à la segmentation, coronographe. Je l’ai appliqué au télescope LUVOIR afin d’analyser les modes limitant le contraste et ainsi mieux répartir les contraintes sur les segments. Par la suite, j’ai travaillé sur l’analyse de front d’onde coronographique en présence d’un télescope segmenté sur le banc expérimental HiCAT avec une première démonstration de l’analyseur COFFEE permettant de reconstruire les erreurs de phasage avec une grande précision. Enfin, j’ai mené une analyse comparative des multiples méthodes de contrôle de front d’onde existantes et validé l’une d’elles (Dark Hole Non Linéaire) expérimentalement dans un cadre simplifié sur le banc MITHIC du LAM / Direct imaging of exo-Earths is extremely complex: the star is by far brighter and very close to the planet. Several tools have to be combined:- a giant primary mirror. For manufacturing and transportation reasons, we tend to use segmented mirrors, ie. mirrors made of smaller mirrors but that have to be well-aligned and stabilised.- a coronagraph, enabling to remove the starlight.- the smallest residual wavefront aberration into residual light that decreases the image quality. The measurement and control of the aberrations, including the ones due to the telescope segmentation, are crucial and consist in the topic of my thesis.First, I developed PASTIS, a model of the contrast of a coronagraphic system in presence of a segmented pupil, enabling to analyze the performance to set up constraints on the optical aberrations during the instrument design. PASTIS takes into account the specificities of high-contrast instruments: pupil structure, optical aberrations due to the segmentation, coronagraph. I applied it to the LUVOIR telescope to analyze the main modes limiting the contrast and therefore optimizing the repartition of the constraints on the segments. In parallel, I worked on the analysis of the coronagraphic wavefront in presence of a segmented telescope on the experimental testbed called HiCAT, with a first demonstration of the COFFEE sensor enabling to reconstruct phasing errors with a high precision.Eventually, I ran a comparative analysis of existing methods of wavefront control and experimentally validated one of them (Non Linear Dark Hole) in a simplified case on the MITHIC testbed at LAM

A l'occasion du onzième anniversaire de la découverte de la première planète extrasolaire autour d'une étoile de type solaire, au moment où environ 200 planètes ont été découvertes hors de notre propre système, de passionnantes questions à propos de leur formation, leur évolution et pour certaines d'entre elles, leur aptitude à abriter la vie, sont plus que jamais posées. Ces interrogations sur nos origines ont déclenché l'émergence de nouveaux concepts technologiques et une très forte volonté pour pousser les technologies existantes à leur limite, tout cela pour répondre au fantastique défi observationnel posé. ELTs, interféromètres kilométriques au sol ou spatiaux, instruments de nouvelle génération: l'imagerie directe de systèmes extrasolaires et leur caractérisation est sans conteste l'un des thèmes observationnels les plus exigeants, tout cela à cause de l'énorme contraste et de la minuscule séparation angulaire entre les étoiles et leurs environements.<br />Cette thèse est dédiée à l'étude d'une classe de micro-composants basés sur la technologie des réseaux sublambda. Nous démontrons l'utilité des ces méta-matériaux intégrés et nano-structurés dans le domaine de l'imagerie à très grande dynamique. Les réseaux sub-lambda offrent en effet des solutions nouvelles et originales aux exigeantes contraintes induites par les objectifs scientifiques ambitieux de l'astrophysique à haut contraste. Après avoir montré l'utilité pratique des outils coronagraphiques modernes dans l'observation de systèmes planétaires en formation, nous présentons diverses solutions pour améliorer la capacité de détection de systèmes coronographiques existants, ainsi que de nouvelles totalement intégrées et susceptibles de surclasser les systèmes traditionnels au sein des instruments de nouvelle génération. Ensuite, toujours en profitant de la flexibilité optique des réseaux sublambda, nous proposons un nouveau concept de déphaseur achromatique pour l'interférométrie en frange noire, qui devra être construit et testé dans le cadre des activités de R&D censées ouvrir la voie à d'ambitieuses missions d'interféromètres spatiaux dédiés à la détection et la caractérisation de planètes semblables à la Terre.

L’imagerie d’exoplanètes permet d’obtenir de nombreuses informations sur la lumière qu’elles émettent, l’interaction avec leur environnement et sur leur nature. Afin d’extraire l’information des images, il est indispensable d’appliquer des méthodes de traitement d’images adaptées aux instruments. En particulier, il faut séparer les signaux planétaires des tavelures présentes dans les images qui sont dues aux aberrations instrumentales quasi-statiques. Dans mon travail de thèse je me suis intéressée à deux méthodes innovantes de traitement d’images qui sont fondés sur la résolution de problèmes inverses.La première méthode, ANDROMEDA, est un algorithme dédié à la détection et à la caractérisation de point sources dans des images haut contraste via une approche maximum de vraisemblance. ANDROMEDA exploite la diversité temporelle apportée par la rotation de champ de l’image (où se trouvent les objets astrophysiques) alors que la pupille (où les aberrations prennent naissance) est gardée fixe. A partir de l’application sur données réelles de l’algorithme dans sa version originale, j’ai proposé et qualifié des améliorations afin de prendre en compte les résidus non modélisés par la méthode tels que les structures bas ordres variant lentement et le niveau résiduel de bruit correlé dans les données. Une fois l’algorithme ANDROMEDA opérationnel, j’ai analysé ses performances et sa sensibilité aux paramètres utilisateurs, montrant la robustesse de la méthode. Une comparaison détaillée avec les algorithmes les plus utilisés dans la communauté a prouvé que cet algorithme est compétitif avec des performances très intéressantes dans le contexte actuel. En particulier, il s’agit de la seule méthode qui permet une détection entièrement non-supervisée. De plus, l’application à de nombreuses données ciel venant d’instruments différents a prouvé la fiabilité de la méthode et l’efficacité à extraire rapidement et systématiquement (avec un seul paramètre utilisateur à ajuster) les informations contenues dans les images. Ces applications ont aussi permis d’ouvrir des perspectives pour adapter cet outil aux grands enjeux actuels de l’imagerie d’exoplanètes.La seconde méthode, MEDUSAE, consiste à estimer conjointement les aberrations et les objets d’intérêt scientifique, en s’appuyant sur un modèle de formation d’images coronographiques. MEDUSAE exploite la redondance d’informations apportée par des images multi-spectrales. Afin de raffiner la stratégie d’inversion de la méthode et d’identifier les paramètres les plus critiques, j’ai appliqué l’algorithme sur des données générées avec le modèle utilisé dans l’inversion. J’ai ensuite appliqué cette méthode à des données simulées plus réalistes afin d’étudier l’impact de la différence entre le modèle utilisé dans l’inversion et les données réelles. Enfin, j’ai appliqué la méthode à des données réelles et les résultats préliminaires que j’ai obtenus ont permis d’identifier les informations importantes dont la méthode a besoin et ainsi de proposer plusieurs pistes de travail qui permettraient de rendre cet algorithme opérationnel sur données réelles. / Direct imaging of exoplanets provides valuable information about the light they emit, their interactions with their host star environment and their nature. In order to image such objects, advanced data processing tools adapted to the instrument are needed. In particular, the presence of quasi-static speckles in the images, due to optical aberrations distorting the light from the observed star, prevents planetary signals from being distinguished. In this thesis, I present two innovative image processing methods, both based on an inverse problem approach, enabling the disentanglement of the quasi-static speckles from the planetary signals. My work consisted of improving these two algorithms in order to be able to process on-sky images.The first one, called ANDROMEDA, is an algorithm dedicated to point source detection and characterization via a maximum likelihood approach. ANDROMEDA makes use of the temporal diversity provided by the image field rotation during the observation, to recognize the deterministic signature of a rotating companion over the stellar halo. From application of the original version on real data, I have proposed and qualified improvements in order to deal with the non-stable large scale structures due to the adaptative optics residuals and with the remaining level of correlated noise in the data. Once ANDROMEDA became operational on real data, I analyzed its performance and its sensitivity to the user-parameters proving the robustness of the algorithm. I also conducted a detailed comparison to the other algorithms widely used by the exoplanet imaging community today showing that ANDROMEDA is a competitive method with practical advantages. In particular, it is the only method that allows a fully unsupervised detection. By the numerous tests performed on different data set, ANDROMEDA proved its reliability and efficiency to extract companions in a rapid and systematic way (with only one user parameter to be tuned). From these applications, I identified several perspectives whose implementation could significantly improve the performance of the pipeline.The second algorithm, called MEDUSAE, consists in jointly estimating the aberrations (responsible for the speckle field) and the circumstellar objects by relying on a coronagraphic image formation model. MEDUSAE exploits the spectral diversity provided by multispectral data. In order to In order to refine the inversion strategy and probe the most critical parameters, I applied MEDUSAE on a simulated data set generated with the model used in the inversion. To investigate further the impact of the discrepancy between the image model used and the real images, I applied the method on realistic simulated images. At last, I applied MEDUSAE on real data and from the preliminary results obtained, I identified the important input required by the method and proposed leads that could be followed to make this algorithm operational to process on-sky data.

Les binaires X, composées d'un objet compact (naine blanche, étoile à neutrons ou trou noir stellaire) et d'une étoile donneuse, sont des objets fascinants qui ont permis faire des découvertes majeures dans le domaine de l'astrophysique des hautes énergies. Toutefois, l'environnement immédiat de ces dernières, à l'échelle de $\sim$ 100--10,000 unités astronomiques, n'est pour sa part que très peu compris et exploré. Dans ce mémoire, on s'intéresse à la présence de compagnons, autant de masse planétaire que stellaire, dans lesdits environnements des binaires X. Pour ce faire, on a fait appel à des techniques observationnelles qui sont normalement utilisées pour la recherche d'exoplanètes jeunes, chaudes et en orbite autour d'étoiles situées à quelques parsecs de la Terre : il s'agit de l'imagerie directe ou plus précisément de l'imagerie à haut contraste. Ainsi, pour la toute première fois, on a appliqué ces méthodes sur un échantillon de binaires X avec l'instrument proche infrarouge NIRC2 de l'Observatoire W. M. Keck, avec l'aide d'un système d'optique adaptative et d'un coronographe. Ici, on a présenté les premières images à haut contraste de 14 binaires X. Le but était de détecter des sources lumineuses dans les images et de calculer leur flux et leur position avec des méthodes d'optimisation. Ensuite, il s'agissait de définir via diverses analyses si celles-ci sont cohérentes avec des compagnons liés par la gravité à la binaire X, ou plutôt avec des étoiles de fond. Ces travaux se veulent donc une introduction à un nouveau sous-domaine de l'astrophysique qui tente de relier l'exoplanétologie et l'astrophysique des hautes énergies. / X-ray binaries, consisting of a compact object (white dwarf, neutron star or stellar-mass black hole) and a donor star, are fascinating objects that have allowed major breakthroughs in the field of high-energy astrophysics. However, their immediate environments, on the scale of $\sim$ 100--10,000 astronomical units, are still poorly understood. In this Master's thesis, we investigated the presence of companions, ranging from planetary to stellar masses, in the environments of X-ray binaries. In order to do so, we used observational techniques that are normally used for the search of young, hot and distant exoplanets orbiting stars located at a few parsecs from the Earth: direct imaging or more precisely high-contrast imaging. Thus, for the very first time, we applied these techniques on a sample of X-ray binaries with the near-infrared instrument NIRC2 of the W. M. Keck Observatory, with the help of an adaptive optics system and a coronagraph. Here, we present the first high-contrast images for 14 X-ray binaries. The goal was to detect point sources in the images and to calculate their flux and position with optimization methods. Afterward, we determined via a variety of analyses if these were consistent with companions gravitationally bounded to the X-ray binary, or rather with background stars. This work acts as an introduction, albeit exploratory, to a new subfield of astrophysics that attempts to link exoplanetology and high-energy astrophysics.

Au cours de cette dernière décennie, le domaine de la recherche et l'étude de compagnons froids autour des étoiles du voisinage solaire s'est beaucoup accéléré. L'étude des compagnons stellaires de faible masse et des compagnons naines brunes apportent d'importantes contraintes sur la compréhension de la formation stellaire. L'étude des systèmes planétaires, quant à elle, permet de comprendre la formation de notre propre système solaire. Jusqu'à présent, la technique des vitesses radiales a permis de découvrir la plupart des nouveaux systèmes. Il s'agit d'une méthode indirecte qui ne permet pas l'analyse des photons du compagnon froid. La prochaine étape consiste à analyser directement les photons de compagnons. Pour ce faire, de nombreux projets d'instruments imageurs à haut contraste ont vu le jour récemment. Cette thèse s'inscrit dans la préparation scientifique et le développement de l'un de ces projets: l'instrument SPHERE qui sera installé au Very Large Telescope au Chili en 2012. Dans une première partie, je présente les questions astrophysiques qui motivent la recherche de compagnons d'étoiles ainsi que les deux techniques observationnelles que j'ai utilisé au cours de ma thèse: l'imagerie à haut contraste et la technique des vitesses radiales. Un état des lieux de la recherche des compagnons planétaires, naines brunes et stellaires est également fait. Dans la deuxième partie, je développe les techniques observationnelles ainsi que l'analyse de donnés utilisées. La troisième partie présente une étude sur le désert des naines brunes autour d'étoiles de type solaires sélectionnées dans un échantillon d'étoiles à dérives en vitesses radiales. La quatrième partie développe un travail observationnel qui consiste à essayer de détecter les compagnons planétaires ou naines brunes autour de naines rouges. La dernière partie est consacrée à la présentation de l'instrument SPHERE et à ma contribution personnelle à l'étude de cet instrument.