Soutenance de thèse de Julien Girard le mardi 21 mai 2013

Title / Subject

Développement de la Super Station LOFAR & Observations planétaires avec LOFAR
Development of the LOFAR Super Station & planetary observations with LOFAR

Directeur de thèse / Supervisor

Philippe Zarka

Résumé / Abstract

Les développements techniques récents en radioastronomie au sol ont permis l’émergence de nombreux nouveaux projets, portés par une communauté scientifique croissante. LOFAR (le « LOw Frequency ARray », en français le Réseau Basses Fréquences) est un interféromètre de réseaux phasés comptant parmi ces nouveaux radiotélescopes géants. Son architecture, comprenant plusieurs milliers d’éléments regroupés en « stations », est distribuée à travers l’Europe. Il va permettre d’étudier l’Univers dans la bande 20–250 MHz, la dernière fenêtre radio encore inexplorée avec une très haute sensibilité et de très hautes résolutions angulaire, temporelle et spectrale. La station LOFAR de Nançay a permis à la communauté française d’accéder à l’exploitation scientifique de LOFAR en participant à ses projets clés (« Key Scientific Projects »). Elle a également suscité un développement instrumental original visant à augmenter significativement les performances de LOFAR aux basses fréquences ( 80 MHz). Ce projet consiste en un nouveau réseau géant d’antennes sensibles formant la « Super Station LOFAR » (LSS).

• Le premier volet de cette thèse présente les études de conception et de réalisation d’un démonstrateur pour la LSS. Celles-ci portent sur les trois échelles caractéristiques de la LSS : l’antenne élémentaire, le « mini-réseau » (phasé en analogique) d’une vingtaine d’antennes, et la distribution globale de 96 de ces mini-réseaux à Nançay. Ce projet est conçu à la fois pour être totalement compatible avec le réseau LOFAR et étendre ses performances (en particulier pour les objectifs planétaires et exoplanétaires), et pour constituer un nouvel instrument sensible et autonome à Nançay.
• Le second volet de cette thèse porte sur le développement d’un mode d’imagerie planétaire de LOFAR (en mode interféromètre) et son application à l’étude du rayonnement synchrotron émis par les ceintures de radiation de Jupiter. Ce mode a rendu possible la formation des toutes premières images planétaires résolues dans la bande 127–172 MHz.

The recent progress of ground-based radioastronomy techniques have enabled the emergence of several new projects, supported by a growing scienti-c community. LOFAR (the LOw Frequency ARray) is an interferometer of phased-arrays representative of this new generation of giant radiotelescopes. Its architecture, consisting of thousands of elements grouped in "stations", is distributed across Europe. It will permit to study the Universe in the band -20-250 MHz, the last radio window still unexplored with a high sensitivity and high angular, temporal and spectral resolutions. The LOFAR station in Nan-cay has allowed the french community to access LOFAR’s scienti-c exploitation by participating to its "Key Scienti-c Projects". It has also motivated an original instrumental development aimed at increasing signi-cantly the capabilities of LOFAR at low frequencies (-≤ 80 MHz). This project consists of a new giant array of sensitive antennas : the LOFAR Super Station (LSS).

• The -first part of this thesis presents design studies of the LSS as well as the realization of a demonstrator. These studies address the three characteristic scales of the LSS : the elementary antenna, the "mini-array" (analog-phased) of about twenty antennas, and the global distribution of 96 such miniarrays in Nan-cay. This project is designed to be both fully compatible with LOFAR and extend its performances (especially for planetary and exoplanetary studies), and to be a new sensitive standalone radiotelescope in Nan-cay.
• The second part of the thesis is focused on the development of a planetary imaging mode for LOFAR (as an interferometer) and its application to the study of the synchrotron emission arising from Jupiter’s radiation belts. This mode allowed us to obtain the very -first resolved planetary images in the band 127-172 MHz.