Caractérisation des exoplanètes par imagerie depuis le sol et l'espace : application à la mission SPICES et à l'instrument VLT/NaCo

Exoplanet characterization using ground-based and space-based direct imaging : application to the SPICES mission and the VLT/NaCo instrument

• Auteur / Autrice : Anne-Lise Maire
• Direction : Vincent Coudé du Foresto, Anthony Boccaletti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Observatoire de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Didier Pelat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Coudé du Foresto, Anthony Boccaletti, Claire Moutou, Fabien Malbet, Giovanna Tinetti, Anne-Marie Lagrange, Pierre-Olivier Lagage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Moutou, Fabien Malbet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coronographes

Imagerie en astronomie

Exoplanètes

Résumé

L'imagerie est actuellement la seule méthode disponible pour caractériser l'atmosphère des exoplanètes à longue période orbitale (≥1UA). Cette méthode est difficile à mettre en oeuvre parce qu'elle requiert de hauts contrastes à des séparations angulaires proches (10⁶-10¹⁰ à∼0,2"). Pendant ma thèse, je me suis intéressée à deux instruments : la mission SPICES et l'instrument VLT/NaCo. SPICES (SpectroPolarimetric Imaging and Characterization of Exoplanetary Systems) est un projet de coronographe spatial qui a pour objectif la caractérisation spectropolarimétrique d'exoplanètes froides et de disques circumstellaires faibles (≥1 zodi). J'ai déterminé à l'aide de simulations numériques les performances scientifiques de cette mission. Pour une étoile solaire, SPICES pourrait caractériser des Jupiters à des séparations ≤5UA et à des distances ≤10pc, des super-Terres à 1-2UA situées à ≤4-5pc et des Terres autour de α Cen A. En considérant tous les types stellaires, j'ai estimé un nombre d'étoiles cibles potentielles de ∼ 300. Pendant l'autre partie de ma thèse, j'ai analysé des données d'imagerie coronographique et différentielle angulaire et spectrale de l'instrument NaCo. L'objectif du programme d'observation était de chercher des planètes géantes gazeuses aussi froides que 500-1300K à des séparations de 5-10UA autour d'un échantillon d'étoiles jeunes et proches (<200Ma, <25pc). Les limites de détection atteignent des contrastes de ∼10̄⁵ à 1", soit des températures effectives et masses de 1100K et 10Mj. Ces observations permettent de contraindre les propriétés des planètes géantes à longue période (>5UA) et complètent les études statistiques basées sur les vitesses radiales.

Direct imaging is currently the only available method to characterize the atmosphere of long-period exoplanets (≥1UA). This technique is difficult to carry out because it requires high contrasts at short angular separations (10⁶-10¹⁰ à∼0,2"). During my PhD thesis, I focused on two instruments : the SPICES mission and the VLT/NaCo instrument. SPICES (SpectroPolarimetric Imaging and Characterization of Exoplanetary Systems) is a project of space coronograph which aims to characterize in spectropolarimetry cold exoplanets and faint circumstellar disks (≥1 zodi). I determined the science performance of the mission using numerical simulations. SPICES could characterize Jupiters at separations ≤5UA and distances ≤10pc, super-Earths at 1-2AU for a few stars within 4-5pc and possibly Earths around α Cen A. Considering all stellar types, I estimated an amount of ∼ 300 potential targets. In the second part of my PhD thesis, I analyzed images taken in coronographic and differential imaging modes of the NaCo instrument. The objective was to search for gas giant planets as cool as 500-1300 K at separations of 5-10UA around a selected sample of young and nearby stars (<200Myr, <25pc). Median detection limits give contrasts of ∼10̄⁵ at 1", corresponding to effective temperatures and masses of 1100K and 10Mj, and complement statistical studies based on radial velocities.