Développement de nouveaux outils de traitement et d'analyse pour l'Optique Adaptative Grand Champ

The next decade will see the first light of the new Extremely Large Telescopes (ELTs). Those giant telescopes with an aperture for its primary mirror from 25 meters up to 40 meters across, will address fundamental questions of modern astrophysics from exoplanet direct imaging to the study of the first galaxies.Their large diameter, increases both their sensitivity and their angular resolution, which is the ability to discern the very small details. However, the angular resolution of all sizes ground-based telescope is always strongly limited by the atmospheric turbulence. These movements of air layers with different temperatures induce fluctuation in the optical index and alter the shape of the incident wavefront.To tackle this problem and fully exploit their capabilities, large optical telescopes had become indissociable of their Adaptive Optics (AO) instruments. AO is a technic that consists in analyzing the effects of turbulence on the wavefront and compensating for it in real time, thanks to one or several deformable mirrors in order to restore the initial angular resolution of optical telescopes. In addition, most of the 8-10 meters telescopes are supplied with laser guide stars systems in order to increase the portion of the sky that can benefit for such an AO correction.Lately, a Wide Field AO system has been implemented on the 8 meters Gemini South telescope: the Gemini Multi-Conjugated AO (GeMS) instrument. With its five laser guides stars, it corrects turbulence at different altitudes and provides AO corrected images over much larger a field of view than regular AO.In a first part of this PhD, I collected data with the GeMS instrument in order to study the formation of massive stars in a young cluster. Such science cases should largely benefit from the new performance offered by Wide field AO at near infrared wavelengths. Thanks to these observations, we detected a large number of very young stellar objects, as well as several massive stars. We also developed a possible triggered formation scenario for the stellar population in this region.In addition to new science results, the study carried out on these observations has enable to highlight the critical parameters that limit the scientific analyses of Wide Field AO data. Indeed, despite the excellent performance of such systems, the correction performed is not perfect and some residuals still limit the image quality. In order to get the best science results out of the Wide Field AO images, dedicated and optimized reduction and analyses tools are needed.In this context, I paid a particular attention to variable distortion observed on Wide Field AO data, which was identified as a limiting factor which affects astrometry and photometry studies. I present in this document a new and original method of distortion correction based on an inverse problem approach. I detail the formalism as well as the whole validation steps, from the characterization on simulated data to the application on real data. While this last application is specifically valid for GeMS data, the proposed method remains relevant to correct distortion in any image affected by this phenomenon, and especially in science observations from the future ELTs.Nous allons assister au cours de la prochaine décennie, à la première lumière des nouveaux Extremely Large Telescope (ELTs). Ces télescopes géants, mesurant entre 25 m et 40 m de diamètres vont permettre de répondre à des questions fondamentales de l'astrophysique contemporaine, depuis l'imagerie directe d'exoplanètes jusqu'à l'étude des galaxies primordiales. Leur grande taille permet non seulement d’augmenter leur sensibilité, mais également leur résolution angulaire, c’est à dire leur capacité à distinguer les détails fins de l'objet observé. Cependant, la résolution angulaire d'un télescope terrestre, quelque soit sa taille, est toujours fortement limitée par la turbulence atmosphérique. En effet, ces mouvements de masses d'air à différentes températures induisent une variation de l’indice optique et déforment le front de l’onde incidente.Pour pallier à ce problème et exploiter pleinement leur potentiel, les grands télescopes sont désormais indissociables de leurs instruments d’Optique Adaptative (OA). L’OA est une technique qui permet d’analyser les effets de la turbulence sur le front d’onde et de les compenser en temps réel à l’aide d’un ou plusieurs miroirs déformables, dans le but de retrouver la limite théorique de résolution d’un télescope optique. En complément, la plupart des télescopes de la génération 8-10 m sont maintenant équipés de systèmes d’étoiles lasers qui permettent d’augmenter la proportion du ciel pouvant bénéficier d’une correction par OA. Dernièrement, un système d’OA Grand Champ a été installé sur le télescope de 8 m de Gemini Sud. Il s’agit de l’instrument GeMS (Gemini Multi-Conjugate Adaptive Optics), qui permet avec ses cinq étoiles lasers, de corriger la turbulence de l’atmosphère à plusieurs altitudes et ainsi, d’augmenter significativement la taille du champ de vue corrigé par OA.Au cours des premiers mois de cette thèse, j'ai utilisé l'instrument GeMS pour étudier la formation des étoiles massives dans un jeune amas, domaine dans lequel les performances de l’OA Grand Champ dans le proche infrarouge promettent de grandes avancées. Grâce à ces observations, nous avons pu détecter un grand nombre d'objets stellaires très jeunes ainsi que plusieurs étoiles massives inaccessibles à des télescopes dépourvus d'OA. Nous avons également pu proposer un processus de formation séquentiel des étoiles au sein de cette région. Au delà des résultats astrophysiques nouveaux, le travail réalisé sur ces observations a permis de mettre en évidence les paramètres principaux limitant l’analyse scientifique des données issues d’OA Grand Champ. Car malgré les excellentes performances de ces systèmes, la correction apportée aux images reste partielle et des résidus de correction limitent encore leur qualité. Pour extraire les meilleurs résultats scientifiques des images issues de l'OA Grand Champ, il est donc essentiel d'optimiser au maximum les outils de réduction et d'analyse de données. Dans ce contexte, je me suis en particulier intéressée à la distorsion variable observée dans les données d’OA Grand Champ, et identifiée comme facteur limitant les analyses photométriques et astrométriques. Je présente dans ce document une méthode originale de correction de la distorsion basée sur la résolution d'un problème inverse. Je détaille son formalisme complet ainsi que l’ensemble des étapes qui ont permis sa validation sur des données de simulation dans un premier temps, puis sur des données réelles. Alors que cette dernière application concerne spécifiquement les données issues de l'instrument GeMS, la méthode proposée reste pertinente pour corriger la distorsion sur toute image soufrant de ce phénomène, et en particulier sur les données issues des futurs ELTs