Soutenance de thèse de Alexandre SAUVE

Caractérisation des effets systématiques de l’instrument Planck/HFI, propagation et impact sur les données scientifiques

Planck est un satellite de l’ESA lancé en 2009, il représente la troisième génération d’observatoires spatiaux dans l’ère de la cosmologie de précision. Sa mission était de cartographier le fond diffus cosmologique (CMB) avec une extrême précision (∆T/T < 10−5). Le niveau de précision requis nécessite un niveau de contrôle extrêmement élevé des effets systématiques introduits par les instruments embarqués. Il se trouve qu’une combinaison inattendue d’éléments a conduit à une amplification de l’impact des effets de non linéaires introduits par le composant de numérisation des données scientifiques de l’instrument HFI, conduisant à l’introduction d’un des effets systématiques les plus difficiles à maîtriser. Ce manuscrit présente le travail qui a conduit à la caractérisation et à la correction de cette non-linéarité.
Tout d’abord la modélisation de la réponse thermique complexe des détecteurs bolométriques sous intensité modulée est présentée. Puis la caractérisation de la réponse des détecteurs et de l’électronique de lecture est réalisée via l’utilisation du signal produit par l’impact des particules cosmiques sur les détecteurs. Dans un deuxième temps, les étapes menant à la caractérisation de précision des composants de numérisation sont détaillée. Pour pouvoir corriger l’effet de non-linéarité sur les données scientifiques, la chaîne complète de l’électronique de lecture est modélisée en prenant en compte la réponse des détecteurs sous intensité modulée et les effets non-linéaires du composant de numérisation avec le bruit. En plus de cela,
il a fallu prendre en compte le signal parasite complexe généré par le compresseur de l’étage de refroidissement cryogénique à 4 K, son inclusion dans la correction est détaillée. Ceci a mené à une correction qui a réduit l’impact de cet effet d’un ordre de grandeur sur le catalogue des données Planck de 2015.

Planck is an ESA spacecraft launched in 2009, it is the third generation of spatial observatory in the era of precision cosmology. Its mission goal was to map with an exquisite precision (∆T/T < 10−5) the Cosmic Microwave Background (CMB). The required level of accuracy needs an unusually high level control of the systematic effects introduced by the on-board instruments. However, an unexpected conjunction of elements has enhanced the nonlinearity introduced by the chip performing the digitization of science data by the HFI instrument. It resulted in the most challenging systematic effect to deal with. It is presented here the work performed to characterize and correct for this nonlinear effect.
First a detailed modeling of the complex thermal response of the bolometer detectors under AC biasing is presented. The detector response is then further characterized by using the signal produced by cosmic particles. Second, the steps leading to the in-flight accurate characterization of the digitization chip are detailed. To correct for the nonlinear effect on science data, the full electronics readout chain response is modeled, taking into account the detector response under AC biasing and the nonlinear effect of the digitization chip with the noise. Furthermore, the complex parasitic signal originating from the 4 K cryogenic stage mechanical cooler has also to be taken into account. The provided correction has been applied with success to the HFI data 2015 release reducing the effect by an order of magnitude.