VariSeek - Detrending

Le « detrending » dans VariSeek

L’une des fonctionnalités les plus importantes de l’application VariSeek consiste à « detrender » les courbes de lumières brutes qui sont extraites des fichiers de type Astrocut avec lesquels nous travaillons, faute de quoi il serait difficile d’interpréter efficacement ces courbes.
Examinons attentivement chacune des quatre courbes non détrendées affichées dans l’image ci-dessous. Combien pouvons-nous distinguer de signaux ?

Aussi déconcertante qu’elle soit, la réponse à la question posée précédemment est : rigoureusement aucun. Il n’est aucun signal discernable dans les courbes montrées. Nous n’avons affaire là qu’à des artéfacts, ce qui est pour le moins troublant, nous pouvons bien vous l’accorder.

Plus déconcertant encore, chacune des courbes montrées correspond de fait à un pixel contenant une même étoile cible – stable -, mais issue d’un secteur TESS différent. Les disparités apparentes dans ces données brutes résultent d’un assemblage complexe d’artéfacts pouvant trouver leur origine au travers de nombreuses causes possibles:

Instabilité de pointage
Dérive thermique
Réinitialisation des roues à réaction
Bombardement de particules (South Atlantic Anomaly)
Lumière zodiacale, terre ou lune dans le champ, ou à proximité de la zone observée
Astéroïdes, comètes et planètes se déplaçant dans le champ
Rayons cosmiques, flares
Pixels chauds ou instables
Sensibilité intrapixel
Reflets internes
Contamination par des étoiles voisines
etc…

Ci-dessous, un aperçu de ce à quoi peut ressembler une instabilité temporaire de pointage de l’observatoire, ici en début de secteur 72.

S’agissant d’une étoile variable, peu importe le type de variation, un signal viendra forcément se sur-ajouter à la tendance de fond (brillance de fond de ciel), modifiant plus ou moins l’apparence globale de la courbe. Le tracé sera généralement peu lisible, ou difficilement exploitable scientifiquement, mais on verra malgré tout le signal, sauf si celui-ci est particulièrement faible, ou s’il mimique largement la tendance de fond.

Examinons maintenant les quatres courbes ci-après. Combien peut-on distinguer de signaux ?

Chacune des courbes affichées montre un signal. Ne les avez-vous pas tous détectés ? Regardez mieux. Certes tous les signaux affichés sont visibles, mais aurions-nous besoin de créer un phaseplot pour l’une ou l’autre de ces courbes que ce serait peine perdue. Avouons en outre qu’il serait bien difficile de déterminer si la variable dont on voit la courbe en haut à droite, par exemple, évolue selon un mode unique de variation de période 0.4 jour, ou si deux ou trois modes de variation sont à l’oeuvre simultanément.

Réaliser un detrending sur les courbes avant toute autre chose est donc une nécessité vitale pour Var-Exp, comme pour toute équipe professionnelle désireuse de travailler sur les données de la mission TESS. VariSeek fait cela de façon remarquable, même si certains secteurs donnent parfois plus de peine que d’autres.

Pour cela, VariSeek propose plusieurs traitements afin de supprimer au mieux ces artéfacts, tout en préservant les signaux utiles. Contrairement à d’autres logiciels, VariSeek ne demande pas à l’utilisateur de rentrer des paramètres. Si ceux-ci sont fixes, il est déjà à l’étude de les déterminer de manière automatique. Il existe actuellement 4 outils différents:

Le retrait de gradient, qui va homogénéiser le niveau de chaque image, en utilisant le fond de ciel comme référence (et ce pour chaque image).
La normalisation des images, qui va permettre d’homogénéiser le niveau entre chaque image.
la suppression des « outliers » (valeurs aberrantes) sur les courbes de lumières (méthode des trois sigmas)
Le detrending des courbes de lumière, grâce à 2 méthodes possibles: Polynomial Fit, et un filtre de Savitzky-Golay segmenté.

Le retrait de gradient et la normalisation des images permet déjà de supprimer les artefacts qui ont un impact variable dans l’espace d’une image, ou sur les statistiques globales des images dans le temps (reflets, lumière zodiacale, contamination due au passage de la terre ou de la lune, dérive thermique…).
La suppression des outliers, permet quand à elle de supprimer des effets extrêmement brefs (rayons cosmiques, flares, poussières suite à un impact sur le satellite).

D’autres artefacts sont plus difficiles à supprimer, car impactant de manière différente chaque pixel, qui ne peuvent donc pas être détectés par ce genre de statistiques. Par exemple, la dérive et l’instabilité de pointage fait que le niveau d’ADU d’un pixel va varier:

du fait de la sensibilité intrapixel (sensibilité différente selon l’endroit où tombe un photon sur la surface d’un pixel – largeur d’un pixel TESS = 15µm)
de la répartition du flux d’une étoile entre pixels voisins, à cause de sa PSF.
et de la répartition de la pollution due à une étoile brillante à proximité du pixel.

Ce genre d’artefacts a pour conséquence de faire varier la tendance globale d’une courbe de lumière. Le detrending consiste donc à déterminer un polynome qui modélise cette tendance, afin de la supprimer tout en gardant les variations due à la variabilité d’une étoile. Quand le Polynomial Fit travaille par segments complets (à cause des interruptions de service, que l’on peut voir dans les courbes par l’absence de points sur certaines périodes), le filtre de Savitzky-Golay détermine une courbe polynomiale dans une fenêtre temporelle glissante.

Un exemple concret: déportons désormais nos regards vers la courbe suivante, obtenue par l’observatoire spatial au cours du secteur 25. La résolution temporelle est très faible (30 minutes) aussi y-a-t-il comparativement assez peu de points dans la courbe. Il s’agit l’étoile Gaia DR3 494969249718937600, immatriculée au VSX. Nous sommes loin de reconnaître la courbe usuelle d’un rotateur …

Le TESS Data Release Notes relatif au secteur 25 nous apprend notamment quel est l’angle entre la terre, la lune, et les caméras:

On peut vite comprendre la corrélation entre la tendance de la courbe et ces angles, mais cela n’explique pas encore les pics et creux que l’ont obtient en dehors de celle-ci. La précision de pointage de l’engin obtenue pendant les observations (ci-dessous) n’amène pas de conclusion évidente quant à ces derniers:

En revanche, le graphique du niveau du fond de chaque caméra, présent dans le document, montre bien que ces pics et creux ne correspondent pas au signal d’une étoile variable, mais qu’ils sont la conséquence de nombreux artefacts, dont ceux présentés plus haut:

Après detrending sur VariSeek (soit après un peu de mathématiques), nous obtenons la courbe suivante qui, pour montrer encore quelques menus défauts (essentiellement une faible pente ascendante…), n’en n’est pas moins devenue tout à fait lisible. Nous vous certifions qu’il s’agit bel et bien de la même étoile, et de la même courbe ! On remarquera, au passage, que le type de variation affiché au VSX (ROT) ne convient peut-être pas tout à fait ; ne serions-nous pas plutôt en présence d’une étoile de type EB, de période légèrement inférieure à 4 jours (les trois premières périodes sont particulièrement démonstratives ; par la suite le SNR diminue un peu) ? Il est encore beaucoup d’incertitudes dans certains catalogues …

Toutes nos courbes ne sont cependant pas aussi correctement détrendées, toutefois, en raison de la complexité des traitements à appliquer. Certains secteurs sont ainsi plus difficiles à traiter.