Published September 25, 2024 | Version v1
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StarDICE: Calibration at the per mil level of a new generation of telescopes for dark energy measurement

Description

First, this thesis introduces modern cosmology, from the Einstein equation to the first measurements of the acceleration of the Universe's expansion. This acceleration, attributed to 'dark energy', can be measured using various probes. This section presents the different cosmological probes, including type Ia supernovae (SNe Ia), the Cosmic Microwave Background (CMB), and Baryon Acoustic Oscillations (BAO), and discusses methods for constraining dark energy equation of state parameters. In the second section, I detail the mechanisms behind SNe Ia and their properties. The light curves of SNe Ia, which represent their luminosity flux over time, can be standardized using various observational parameters. By measuring their distance against redshift, SNe Ia serve as standard candles, enabling the measurement of the history of the Universe's expansion. The third section covers the observational tools used to measure SNe Ia properties, explaining the functioning of telescopes and CCD cameras that collect photons. I review past, present, and future SNe Ia surveys, highlighting the improvements over time. The fourth section addresses the challenges of photometric calibration of SNe Ia surveys and its impact on cosmological measurements. I emphasize the importance of achieving photometric calibration below the per mil level, which is crucial for attaining a new level of precision in cosmology. I then introduce the StarDICE experiment, which aims to refine the CALSPEC calibration to the per mil level by creating an artificial star with flux calibrated in the laboratory using a NIST photodiode. The StarDICE optical instrument is a Newtonian telescope with a 40 cm primary mirror, a focal length of 1.60 m, and a 1 MPixel CCD camera. We calibrated its throughput and filter transmissions using a Collimated Beam Projector (CBP). The CBP is equipped with a monochromatic light source and an optical device designed to measure telescope throughputs. Sections five and six focus on the StarDICE instrumental calibration, demonstrating how we can achieve sub-percent calibration with accurate wavelength resolution of a few Angstroms.The StarDICE telescope, currently operating at l'Observatoire de Haute-Provence in France, is collecting images with its 'ugrizy' filters and its diffraction grating for acquiring slitless spectrophotometric data. The Spectractor python library is used to extract spectra dispersed on the focal plane and perform spectrophotometry. We track the target throughout the night to perform an air mass regression, distinguishing the atmospheric transmission contribution from the star flux. The survey is also coupled with an infrared camera that monitors gray extinction due to clouds. The survey spans several tens of nights, with approximately 10,000 observations each night. Sections seven and eight present the photometric analysis conducted on the 'ugrizy' images and the spectrophotometric analysis on the grating images. The spectrophotometric is aiming at measuring the atmosphere contribution in our data analysis, while the photometric analysis aim at refining the CALSPEC calibration. To summarize, these measurements allow us to simulate the expected flux for a star based on the CALSPEC spectrum, atmospheric transmission, and the telescope's throughput at a given filter, calibrated with the CBP and the artificial star. By comparing the observed data to the theoretical CALSPEC spectrum, we can measure the deviations, and refine the calibration. The millimagnitude-level calibration of each step in the experiment enables us to achieve sub-percent photometric calibration of the CALSPEC spectra, which is crucial for reaching new levels of precision in cosmology. (author)

Abstract (French)

Tout d'abord, cette these presente la cosmologie moderne, de l'equation d'Einstein aux premieres mesures de l'acceleration de l'expansion de l'Univers. Cette acceleration, attribuee a l''energie noire', peut etre mesuree a l'aide de differentes sondes. Cette section presente les differentes sondes cosmologiques, notamment les supernovae de type Ia (SNe Ia), le fond diffus cosmologique (CMB) et les oscillations acoustiques de baryons (BAO), et discute des methodes permettant de contraindre les parametres de l'equation d'etat de l'energie noire. Dans la deuxieme section, je detaille les mecanismes a l'origine des SNe Ia et leurs proprietes. Les courbes de lumiere des SNe Ia, qui representent leur flux de luminosite au cours du temps, peuvent etre standardisees a l'aide de divers parametres observationnels. En mesurant leur distance par rapport a leur redshift, les SNe Ia servent de 'chandelles standard', permettant de retracer l'histoire de l'expansion de l'Univers. La troisieme section couvre les outils d'observation utilises pour mesurer les proprietes des SNe Ia, presentant le fonctionnement des telescopes et des cameras CCD qui collectent la lumiere. Je passe ensuite en revue les releves de supernovae passes, presents et futurs, en soulignant les ameliorations apportees au fil du temps. La quatrieme section aborde les defis de la calibration photometrique des releves de SNe Ia et son impact sur les mesures cosmologiques. J'appuie sur l'importance d'atteindre une calibration photometrique inferieure au pour mil, une etape cruciale pour atteindre de nouveaux niveaux de precision en cosmologie. Je presente ensuite l'experience StarDICE, qui vise a affiner la calibration CALSPEC au pour mil en creant une etoile artificielle dont le flux est calibre en laboratoire, a l'aide d'une photodiode NIST.L'instrument optique StarDICE est un telescope newtonien avec un miroir primaire de 40 cm, une longueur focale de 1,60 m et une camera CCD de 1 MPixel. Nous avons calibre la reponse de ce telescope ainsi que la transmission de ses filtres a l'aide d'un Collimated Beam Projector (CBP). Le CBP est equipe d'une source de lumiere monochromatique et d'un dispositif optique concu pour mesurer la reponse d'un telescope. Les sections cinq et six se concentrent sur la calibration instrumentale de StarDICE, demontrant comment nous avons atteint une calibration photometrique de l'ordre du pour mil, avec une resolution en longueur d'onde precise de quelques angstr#Latin Capital Letter A With Tilde##Pilcrow Sign#ms. Le telescope StarDICE, actuellement en campagne d'observations a l'Observatoire de Haute-Provence en France, collecte des images avec ses filtres 'ugrizy' et son reseau de diffraction pour l'acquisition de donnees spectrophotometriques sans fente. La librairie python Spectractor est utilisee pour extraire les spectres disperses sur le plan focal et effectuer la spectrophotometrie. Le telescope suit la cible tout au long de la nuit, permettant d'effectuer une regression en airmass, afin de mesurer la contribution de la transmission atmospherique. L'etude s'etend sur plusieurs dizaines de nuits, avec environ 10 000 observations par nuit. Les sections sept et huit presentent l'analyse photometrique effectuee des images 'ugrizy' et l'analyse spectrophotometrique sur les spectres obtenus avec le reseau de diffraction. L'analyse spectrophotometrique vise a mesurer la contribution de l'atmosphere dans l'analyse des donnees, tandis que l'analyse photometrique vise a affiner la calibration CALSPEC. En resume, ces mesures nous permettent de simuler le flux attendu pour une etoile CALSPEC, observee au travers d'une atmosphere mesuree, par un filtre StarDICE donne, calibre avec le CBP et l'etoile artificielle. En comparant les donnees observees au spectre CALSPEC theorique, nous pouvons mesurer les ecarts et affiner la calibration. La calibration au niveau de la milli-magnitude des differentes etapes de l'experience, devrait finalement permettre d'affiner la calibration CALSPEC au pour mil. (auteur)

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Original title (English)
StarDICE: calibration au pour mil d'une nouvelle generation de telescopes pour la mesure de l'energie noire

Publishing Information

Imprint Pagination
252 p.
Report number
FRNC-TH--16246

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Notes
86 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses