Mathias Nowak, Young Starting Grant 2026 : repousser les limites de l'instrument GRAVITY pour observer des planètes toujours plus proches de leur étoile

Les appel à projets Young Starting Grants s’adressent aux jeunes chercheuses et chercheurs prochainement ou récemment recruté.e.s à l’Université PSL, et offre un financement de 150k€ maximum, destiné à leur permettre de démarrer leurs projets scientifiques et à faciliter un dépôt de projet à l'ERC.

Pouvez-vous vous présenter ?

Après un parcours universitaire à cheval entre physique fondamentale à l’ENS de Cachan (Paris-Saclay) et ingénierie spatiale à l’ISAE-Supaéro (Toulouse), j’ai réalisé ma thèse à l’Observatoire de Paris - PSL, au LIRA (LESIA à l’époque), sous la direction de Sylvestre Lacour. Le sujet initial était la réalisation de la charge utile du nanosatellite PicSat pour l’observation de la planète géante β Pictoris b (https://lesia.obspm.fr/PICSAT.html). Malheureusement, la mission n’a pas fonctionné, et j’ai dû me réorienter tardivement vers d’autres méthodes d’observation. Je suis alors passé à l’interférométrie optique, en utilisant l’instrument GRAVITY sur l’interféromètre du VLT pour observer β Pictoris b. Ce fut l’une des toutes premières observations directes d’une exoplanète par interférométrie optique, et la naissance d’une nouvelle technique très prometteuse pour l’étude de ces objets. Après avoir soutenu ma thèse en 2019, j’ai rejoint l’Université de Cambridge en tant que Gavin Boyle Fellow, où j’ai pu continuer mon travail sur l’interférométrie optique pour l’étude et la caractérisation des jeunes planètes géantes, au sein du groupe "ExoGRAVITY". En 2024, j’ai été recruté en tant que chargé de recherche CNRS, dans le pôle Haute-Résolution Angulaire en Astronomie (HRAA), au LIRA (Observatoire de Paris).
 

Pourquoi avez-vous choisi de candidater à l’appel à projets PSL Young Researcher Starting Grant ?

Après cinq ans de travail avec GRAVITY, nous avons réalisé que nous nous approchions des limites de l’instrument, et nous avons commencé à comprendre que pour progresser, il allait falloir de nouveaux développements instrumentaux. En 2024, le projet GRAVITY+, dans lequel le LIRA est fortement impliqué, a amené une nouvelle optique-adaptative sur les télescopes du VLT. Nous pensions initialement que cette mise à niveau améliorerait automatiquement les performances de GRAVITY pour les observations d’exoplanètes à haut contraste, mais nous avons rapidement réalisé que ca ne serait pas simple, et que son exploitation optimale nécessiterait des développements supplémentaires, notamment un nouveau mode d’observation (dark-hole). 
Parallèlement, mon travail sur le suiveur de franges de GRAVITY m’a confronté à une limite majeure du VLTI, connue depuis longtemps : les vibrations au niveau des télescopes. Ces vibrations, difficiles à mesurer et à corriger, impactent directement la sensibilité de l’interféromètre et donc notre capacité à observer des sources faibles.
En parallèle, l'arrivée imminente de la "Data Release 4" de la mission spatiale Gaia promet un afflux de candidats exoplanètes qu'il sera essentiel de caractériser le plus finement possible. L'interféromètre GRAVITY est un excellent moyen de le faire, notamment pour mesurer leurs masses. Mais pour ca, il est urgent de résoudre ces problèmes instrumentaux, afin de s'assurer que nous serons bien capable d'observer ces candidats, notamment les plus faibles et les plus proches de leur étoile. Or un tel travail instrumental nécessite forcément un investissement humain et matériel important, difficile à financer. En découvrant l’appel à projets de l'Université PSL, j’ai réalisé que je correspondais encore tout juste aux critères : j'entamais déjà ma deuxième année au sein du LIRA, j'avais soutenu ma thèse en 2019. C'était donc maintenant ou jamais !
 

Votre projet de recherche

Le but du projet est de repousser les limites actuelles de l'instrument GRAVITY pour les observations à haut-contraste. Cela repose sur deux axes principaux : l'amélioration du contraste à faible séparation en profitant de la nouvelle optique adaptative via le développement d'un mode d'observation dédié, et la mise en place d'un système de métrologie permettant de mesurer et de contrôler les vibrations au niveau des télescopes du réseau interférométrique. Si nous y parvenons, alors nous aurons un moyen d'observer une très grande part des candidats attendus de la mission Gaia, avec à la clé des mesures systématiques de masse et de luminosité sur une large population de jeune planètes géantes. 
Plusieurs modèles de formation et d'évolution des planètes géantes existent aujourd'hui, qui donnent des prédictions différentes quant à la température à laquelle "naissent" les planètes géantes, et la vitesse à laquelle elles se refroidissent en vieillissant. Comme nous observons ces objets en lumière thermique (nous voyons la lumière qu'elles émettent, par opposition à la lumière de leur étoiles qu'elles pourraient réfléchir), ces différences de températures se traduisent directement en différences de luminosité. Si nous parvenions à faire de telles mesures sur un échantillons important, alors nous tenons un moyen de distinguer observationnellement ces différents modèles de formation !
En parallèle, si le système de métrologie fonctionne bien, nous pourrions améliorer notre précision astrométrique et peut-être ouvrir la voie à la détection de lunes autour de ces planètes géantes, trahies par de légères oscillations de leur position. Cela reste un objectif à plus long terme.

Des conseils aux futurs candidats?

Il ne faut pas hésiter ! J’ai découvert l’appel à projets très tardivement, seulement quelques jours avant la date limite. J’ai pu obtenir un peu d’aide au niveau du laboratoire pour les aspects financiers, et j’ai monté le projet en deux jours. Je pensais m’y être pris trop tard pour avoir une chance, mais finalement, ça a marché. 
Bien sûr, je n’encourage pas à s’y prendre au dernier moment, mais même si c’est tard, rien n’est perdu !