Le télescope spatial James Webb (JWST) est le successeur du télescope spatial Hubble (HST). Il est développé en collaboration par les agences spatiales NASA, ESA et CSA. Le spectrographe proche infrarouge NIRSpec est un instrument du JWST. Le Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL) a développé le logiciel de simulation des performances (IPS) de NIRSpec en vue de l’étude de ses performances et de la préparation de poses synthétiques réalistes. Dans cette thèse, nous vérifions certains algorithmes de l’IPS, en particulier ceux traitant des transformations de coordonnées et de la propagation en optique de Fourier. Nous présentons ensuite une interface simplifiée pour la préparation de « scènes » d’observation et un logiciel de traitement de données permettant d’extraire des spectres à partir de poses synthétiques afin de faciliter l’exploitation des simulations. Nous décrivons comment nous avons construit et validé le modèle de l’instrument par comparaison avec les données de calibration. Pour les transformations de coordonnées, le modèle final est capable de reproduire les mesures avec une précision 3 à 5 fois meilleure que celle requise pour la calibration spectrale. Pour la transmission globale notre précision est de 0–10% dans l’absolu et meilleure que 5% en relatif. Finalement, nous présentons la première simulation d’une observation de type « champ profond spectrographique » et nous explorons comment NIRSpec pourra être utilisé pour observer le transit de planètes extra-solaires. Nous déterminons en particulier la luminosité maximale des étoiles hôtes pouvant être observées et quels peuvent être les rapports signal sur bruit attendus. / The James Webb Space Telescope (JWST), a joint project by NASA, ESA, and CSA, is the successor mission to the Hubble Space Telescope. One of the four science instruments on board is the near-infrared spectrograph NIRSpec. To study the instrument performance and to create realistic science exposures, the Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL) developed the Instrument Performance Simulator (IPS) software. Validating the IPS functionality, creating an accurate model of the instrument, and facilitating the preparation and analysis of simulations are key elements for the success of the IPS. In this context, we verified parts of the IPS algorithms, specifically the coordinate transform formalism, and the Fourier propagation module. We also developed additional software tools to simplify the scientific usage, as a target interface to construct observation scenes, and a dedicated data reduction pipeline to extract spectra from exposures. Another part of the PhD work dealt with the assembly of an as-built instrument model, and its verification with measurements from a ground calibration campaign. For coordinate transforms inside the instrument, we achieved an accuracy of 3–5 times better than the required absolute spectral calibration, and we could reproduce the total instrument throughput with an absolute error of 0–10% and a relative error of less than 5%. Finally, we show first realistic on-sky simulations of a deep field spectroscopy scene, and we explored the capabilities of NIRSpec to study exoplanetary transit events. We determined upper brightness limits of observable host stars, and give noise estimations of exemplary transit spectra.

This study investigates the presence of water vapor plumes in the region south of Enceladus, a moon in the Saturnian system, through observations conducted by the James Webb Space Telescope. Enceladus is believed to harbor a subsurface ocean or localized water reservoir that gives rise to water geysers, expelling vapor into its tenuous atmosphere and outer space. On the 9th of November 2022, the James Webb Space Telescope made its first observations of the satellite using its Near-Infrared Spectrograph. The instrument's high sensitivity and spectral resolution offer the potential to measure these Enceladus' water vapor plumes, providing an opportunity to study this feature from a telescope located near Earth. However, it remains uncertain whether the obtained results are consistent with previous missions or if the instrument is even capable of conducting detailed examinations of the plumes. Hence, the primary objective of this research is to gain insights into the methodology of conducting scientific investigations of Enceladus and to understand the available data. More specifically, the aim is to verify the presence of the moon's water vapor plumes through a comprehensive analysis of the obtained data. The approach involves deriving spectral maps and extracting residual spectra that are used for comparisons with a reference spectrum entailing known water vapor emission features. The results reveal distinct emission peaks in the extracted spectra that closely resemble the features of water vapor. Additionally, the calculated column density of 6.25 - 8.25E+14 cm-2 over a region of 8.16E+07 km2 closely aligns with observations from the Herschel Space Observatory and Cassini mission. This outcome strongly supports the hypothesis that water vapor plumes are present in the area south of Enceladus, verifying the feasibility of using the James Webb Space Telescope for detecting and studying the characteristics of Enceladus' plumes. / Denna studie utforskar Enceladus' vattenplymer, en måne i Saturnussystemet, genom observationer utförda av James Webb Space Telescope. Det antas att Enceladus har en underjordisk ocean eller en lokaliserad vattenreservoar som ger upphov till vattengejsrar som sprutar ut ånga i dess tunna atmosfär och rymden. Den 9:e november 2022 genomförde James Webb-rymdteleskopet sina första observationer av satelliten med hjälp av sin nära-infraröda spektrograf. Instrumentets höga känslighet och spektrala upplösning erbjuder möjligheten att mäta Enceladus vattenplymer och därigenom möjliggöra studier av denna egenskap från ett teleskop beläget nära jorden. Det är emellertid fortfarande osäkert om de erhållna resultaten är förenliga med tidigare uppdrag eller om instrumentet ens är kapabelt att genomföra detaljerade undersökningar av plymer. Det primära syftet med denna forskning är att få insikt i metodologin för att utföra vetenskapliga undersökningar av Enceladus och att förstå den tillgängliga datan. Mer specifikt är målet att verifiera närvaron av vattenånga i månens plymer genom en omfattande analys av den insamlade datan. Metoden innefattar framställning av spektrala kartor och extrahering av restspektra. Därefter görs jämförelser mellan de extraherade spektrana och ett referensspektrum med kända emissionslinjer för vattenånga. Resultaten visar tydliga emissionspektrum i de extraherade spektrana som starkt liknar egenskaperna hos vattenånga. Dessutom stämmer den beräknade kolumn densiteten på 6.25 - 8.25E+14 cm-2 över ett område på 8,16E+07 km2 väl överens med observationer från Herschel Space Observatory och Cassini-uppdraget. Denna slutsats stöder starkt hypotesen att vattenånga finns i Enceladus' plymer och bekräftar möjligheten att använda James Webb Space Telescope för att detektera och studera egenskaperna hos Enceladus' plymer.

Le télescope spatial James Webb (JWST) est le successeur du télescope spatial Hubble (HST). Il est développé en collaboration par les agences spatiales NASA, ESA et CSA. Le spectrographe proche infrarouge NIRSpec est un instrument du JWST. Le Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CRAL) a développé le logiciel de simulation des performances (IPS) de NIRSpec en vue de l'étude de ses performances et de la préparation de poses synthétiques réalistes. Dans cette thèse, nous vérifions certains algorithmes de l'IPS, en particulier ceux traitant des transformations de coordonnées et de la propagation en optique de Fourier. Nous présentons ensuite une interface simplifiée pour la préparation de " scènes " d'observation et un logiciel de traitement de données permettant d'extraire des spectres à partir de poses synthétiques afin de faciliter l'exploitation des simulations. Nous décrivons comment nous avons construit et validé le modèle de l'instrument par comparaison avec les données de calibration. Pour les transformations de coordonnées, le modèle final est capable de reproduire les mesures avec une précision 3 à 5 fois meilleure que celle requise pour la calibration spectrale. Pour la transmission globale notre précision est de 0-10% dans l'absolu et meilleure que 5% en relatif. Finalement, nous présentons la première simulation d'une observation de type " champ profond spectrographique " et nous explorons comment NIRSpec pourra être utilisé pour observer le transit de planètes extra-solaires. Nous déterminons en particulier la luminosité maximale des étoiles hôtes pouvant être observées et quels peuvent être les rapports signal sur bruit attendus.

Le futur télescope spatial JWST (James Webb Space Telescope) sera lancé en 2013. Conçu pour observer dans l'infrarouge de 0.6 à 27 µm, ce télescope sera équipé, entre autres instruments, du spectrographe multi-objets NIRSpec (Near Infrared Spectrograph). Dans cette thèse, nous modélisons et analysons les performances optiques de cet instrument développé par EADS/Astrium pour l'Agence Spatiale Européenne (ESA).<br />Notre étude se concentre sur la qualité d'image, la distorsion et l'efficacité totale de NIRSpec.<br />Ces calculs de performances reposent sur un code d'optique de Fourier développé durant cette thèse. Dans ce manuscrit, nous discutons les hypothèses et les limites de notre approche et nous présentons les résultats obtenus par l'étude de la distorsion et des effets de la diffraction. Ces résultats ont été utilisés pour vérifier des points clefs de la conception de NIRSpec. La complexité de NIRSpec nous a également amenés à développer un simulateur complet de l'optique et des détecteurs. Nous décrivons les algorithmes mis au point pour ces simulations ainsi que les éléments importants de leur implémentation (optimisation des temps de calculs). Les poses ainsi crées sont actuellement utilisées pour tester les futurs logiciels de traitement des données NIRSpec.