L’instrument PILOT (Polarized Instrument for Long-wavelength Observation of the Tenuous interstellar medium) est une expérience d’astronomie sous ballon stratosphérique, conçue pour étudier la polarisation linéaire de l’émission du milieu interstellaire dans l’infrarouge lointain (FIR), dans deux bandes photométriques centrées sur les longueurs d’onde de 240 μm (1,2 THz) et 550 μm (545 GHz), avec une résolution angulaire de quelques minutes d’arc.
La principale source de cette émission sont les grains de poussière présents dans le milieu interstellaire (ISM) de notre Galaxie et des galaxies extérieures.
PILOT mesure la polarisation à l’aide d’un mécanisme composé d’une lame demi-onde (HWPM) et d’un polariseur. L’instrument est doté d’un plan focal de grande dimension, offrant un champ de vue instantané (Field of View (FOV)) d’environ 0.8°× 1°. Les objectifs scientifiques principaux de PILOT sont de cartographier la structure du champ magnétique dans l’ISM diffus, et d’étudier les propriétés géométriques et magnétiques des grains de poussière interstellaire.
Les observations de PILOT compléteront les données en polarisation du satellite Planck sur tout le ciel obtenues à des longueurs d’onde supérieures ( > 850μm) et avec une résolution angulaire inférieure, et les études en polarisation à haute résolution angulaire de régions plus petites, menées avec de grandes antennes au sol comme le télescope James Clerk Maxwell (JCMT) ou avec l’instrument NIKA2 installé sur le télescope de 30m de l’IRAM et les interféromètres comme le Atacama Large Millimeter Array (ALMA).
Cette thèse présente les résultats de l’ensemble des étalonnages au sol de l’instrument PILOT. Elle comprend également un aperçu du déroulement du premier vol scientifique de l’expérience et de l’analyse préliminaire des données de vol, notamment la comparaison avec les performances attendues des étalonnages au sol. Les essais au sol ont été divisés en deux sessions principales: les tests du photomètre PILOT, et les tests de l’instrument intégré. Les tests de photomètre, qui comprennent la mesure de la transmission de l’instrument à l’aide d’un spectromètre a transformée de Fourier, ont été réalisées au cours de l’été 2012 et au printemps 2013 à l’IAS à Orsay. Les tests intégrés ont été réalisés au cours de l’automne 2013 et du printemps 2014 au CNES à Toulouse. Le premier vol de l’instrument, d’une durée totale de 24 heures, a été effectué à partir de Timmins, Ontario, Canada le 20 Septembre 2015. Les essais photomètre comprennent une caractérisation quantitative de la réponse des détecteurs, des performances de la source d’étalonnage interne, la mesure des caractéristiques du fond instrumental, y compris sa polarisation, et la caractérisation du bruit. La transmission de l’optique PILOT a également été déterminée en utilisant la spectroscopie à transformée de Fourier, au cours des séances d’essais à IAS. Un modèle photométrique de l’instrument PILOT (PIMO) a été développé et validé sur la base des essais photomètre.
Pour qualifier le comportement de l’instrument complèt, nous avons également effectué des tests de l’ensemble de l’instrument intégré, qui ont été conçus pour obtenir une caractérisation complète de l’émission instrumentale et de possible sa polarisation, déterminer la géométrie du plan focal,évaluer la précision de positionnement du mécanisme de rotation de la lame demi-onde (HWPM) et de mesurer la qualité de l’op- tique et le niveau de lumière parasite interne.
Cette thèse décrit également brièvement les performances de l’instrument PILOT lors de son premier vol et les compare avec celles mesurées lors des étalonnages au sol. Bien que l’analyse des données de vol soit toujours en cours, je présente également des résultats préliminaires qui montrent que PILOT permet de mesurer la polarisation de l’émission des poussières du milieu interstellaire. |
PILOT, the Polarized Instrument for Long-wavelength Observation of the Tenuous in- terstellar medium is a balloon-borne astronomy experiment designed to study the linear polarization of far-infrared (FIR) emission in two photometric bands centred at wave- lengths of 240 μm (1.2 THz) and 550 μm (545 GHz), with an angular resolution of a few arcminutes. The dominant source of this emission is dust grains in the diffuse interstellar medium (ISM) of our Galaxy and nearby galaxies.
PILOT measures polarization using a half-wave plate mechanism (HWPM). It has a large focal plane offering an instantaneous field-of-view (FOV) of about 0.8°× 1°. Major science goals of PILOT are to map the structure of the magnetic field in the diffuse ISM, and to study the geometric and magnetic properties of interstellar dust grains. PILOT observations complement both Planck all-sky data at lower wavelengths ( < 850 μm ) and lower angular resolution, and high resolution studies of much smaller regions in po- larization with large single dish instruments such as the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) or the NIKA2 instrument on the IRAM 30m telescope and interferometers such as the Atacama Large Millimeter Array (ALMA).
This thesis presents the results of the ground calibration tests of PILOT. It also includes an overview of PILOT’s first scientific flight and of the preliminary analysis of the in-flight data, in particular the comparison with expected performances. The ground tests were divided into two main sessions: tests of the PILOT photometer, and end-to-end tests. The photometer tests, which include measurements of the instrument transmission using the Fourier Transform Spectrometer tests, were performed during summer 2012 and spring 2013 at the IAS in Orsay. The end-to-end tests were performed during autumn 2013 and spring 2014 at CNES in Toulouse. The first scientific flight, which had a total duration of 24 hours, was launched from Timmins, Ontario, Canada on 20 September 2015.
The purpose of the photometer tests was to verify the photometer performance. These tests include a quantitative characterization of the detector response, the perfor- mances of the internal calibration source, the characteristics of the instrumental back- ground including its polarization, and the noise. The transmission of the PILOT optics was determined using Fourier Transform spectroscopy, also during the test sessions at IAS. A model of the PILOT photometer, the PILOT Photometric Model (PIMO), was developed and validated based on the photometer tests.
To gain further insight of the instrument, we conducted end-to-end tests that were
designed to obtain a complete characterization of the instrumental background and its polarization, determine the focal plane geometry, assess the positional accuracy of the half-wave plate mechanism (HWPM) and measure the quality of the optics and the level of internal straylight.
This thesis also describes briefly the performance of the PILOT instrument during its first flight and compares them with expectations from the ground calibration. Although the flight data analysis is undergoing, I also present preliminary results which demon- strate that PILOT has successfully measured polarization of the thermal dust emission in the ISM. |