Caractérisation des atmosphères exo-planétaires à l'aide d'observations à moyenne et haute résolution spectrale

par Simon Petrus

Projet de thèse en Astrophysique et Milieux Dilués

Sous la direction de Gaël Chauvin et de Mickaël Bonnefoy.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Depuis 2004, les observations à haut contraste et à haute résolution angulaire depuis le sol (VLT/NaCo, Keck/NIRC2, Gemini/NICI) et l'espace (HST, Spitzer) ont permis de capturer l'image d'une trentaine de planètes géantes en orbite autour d'étoiles jeunes (1-100 millions d'année) du voisinage solaire. Le flux émis par ces planètes peut être dispersé dans le domaine infrarouge (1-5 µm) par des spectrographes pour étudier la composition chimique et les processus physiques des atmosphères planétaires. Ce domaine est en plein essor depuis l'arrivée d'une nouvelle génération de spectro-imageurs de planètes tels que SPHERE (VLT) et GPI (Gemini). Des phénomènes connus pour les planètes du système solaire (Jupiter, Saturne) tels que l'existence de nuages, de phénomènes de circulation, de chimie hors équilibre ou d'enrichissements en éléments lourds sont aujourd'hui découverts et étudiés pour les atmosphères exoplanétaires couvrant une grande diversité de conditions physiques (formation, masse, âge, composition, irradiation...). Parallèlement, les relevés profonds en infrarouge proche et moyen ont découvert une population d'objets isolés qui partagent la même gamme d'âges, de masse, et de température que les exoplanètes découvertes en imagerie. L'étude de leurs propriétés spectrales fournit un éclairage complémentaire sur les mécanismes à l'oeuvre dans les atmosphères planétaires. L'arrivée imminente sur le ciel d'une nouvelle génération de spectrographes (CRIRES+, SPIROU en 2018, NIRPS en 2019 et le JWST en 2020) et à moyen terme (HARMONI, METIS, et HIRES sur l'E-ELT, 2026) promet d'augmenter drastiquement le signal-à-bruit, la résolution (x100-1000) et la couverture en longueur d'onde (0.6-28 µm) des spectres de planètes géantes et de leurs analogues isolés. Cela ouvre la perspective d'une étude plus détaillée des propriétés de leurs atmosphères (profils pression-température, détermination précise des abondances chimiques, microphysique, chimie, et dynamique au sein des nuages) par comparaison avec des modèles théoriques. Une comprehension fine des données de ces nouveaux instruments couplée à celle des dernières générations de modèles d'atmosphères est toutefois nécessaire pour dégager les processus et paramètres qui dominent la physique atmosphériques des jeunes planètes géantes. Dans le cadre d'une thèse à l'IPAG, nous proposons à l'étudiant[e] un sujet qui se décline selon trois axes de recherche complémentaires : 1) Le développement d'un outil innovant dit de «modélisation-avant» permettant une comparaison optimisée entre les spectres observés et des grilles de modèles d'atmosphères pré-calculées. L'outils reposera sur l'implémentation de techniques statistiques de pointe (« nested sampling », algorithmes génétiques) pour l'exploration des dernières générations de modèles atmosphériques développés à Paris et à Lyon, 2) L'application de cet outil sur des spectres à moyenne et haute résolution spectrale (2000-75000) de planètes et d'objets isolés issus de programmes d'observations en cours (CRIRES, Xshooter, SINFONI au VLT) et à venir (SPIRou, JWST) pour une caractérisation fine de leur propriétés physiques en fonction de leur masse, de leur âge et de leur composition, 3) Finalement, une étude prospective pour la caractérisation mais aussi la détection d'exoplanètes avec les futurs spectrographes intégraux de champ de l'E-ELT (HARMONI, METIS, HIRES), combinant de façon innovante techniques d'imagerie à haut contraste et de spectroscopie a très haute resolution spectrale. L'étudiant[e] sera accueilli(e) au sein de l'équipe Exoplanètes de l'IPAG et encadré(e) par Gaël Chauvin et Mickaël Bonnefoy, experts dans le domaine de la découverte et de la caractérisation d'exoplanètes. Elle/il sera membre des consortiums travaillant sur la conception et l'exploitation des instruments SPHERE, SPIRou et HARMONI. Elle/il pourra: participer aux campagnes d'observations de SPHERE (Chili) et de SPIRou au CFHT, collaborer avec des équipes de l'Université de Montréal, du LAM (Marseille), de l'ENS-Lyon, du LESIA (Paris) et du CEA (Paris-Saclay). Elle/il développera des compétences en programmation (langage Python) au cours de sa thèse et aura la possibilité de présenter ses travaux dans le cadre de plusieurs conférences nationales et internationales.

  • Titre traduit

    Characterisation of exoplanetary atmospheres using medium and high resolution spectroscopy


  • Résumé

    Since 2004, observations at high contrqast and high angular resolution from the ground (VLT/NaCo, Keck/NIRC2, Gemini/NICI) and space (HST, Spitzer) enabled to capture images of several dozens of giant planets orbiting young (1-100 Myr), nearby stars in the vicinity of the Sun. Their emitted flux can be dispersed in the infrared (1-5 µm) domain by spectrographs to study their chemical composition and the physical processes at play in their atmospheres. This field has been drastically expanding with the new generation of planet spectro-imagers like SPHERE at VLT, and GPI at the Gemini observatory. Processes known for the giant planets of our solar system (Jupiter, Saturn) such as clouds, phenomena of weater patterns, non-equilibrium chemistry, and heavy element enrichment, are now confirmed and studied for exoplanetary atmospheres in diverse conditions (formation, mass, age, temperature, irradiation…). In parallel, deep surveys in near and mid-infrared led to the discovery of a large population of isolated objects that share similar physical properties in terms of age, mass, and temperature as the young explanets imaged today. The study of their spectral properties is here rich to explore the mechanisms present in the atmospheres of young exoplanets. The upcoming generation of spectrographs (CRIRES+, SPIROU in 2018, NIRPS in 2019 and JWST in 2020) and at mid-term (HARMONI, METIS, and HIRES on the E-ELT, 2026) will significantly expand the sensitivity, spectral resolution (x100-1000) and spectral coverage (0.6-28 µm) of giant exoplanets and their analogs. It opens new perpsectives for the detailed characterization of various physical and atmospheric properties (like the temperature-pressure profile, the determination of chemical abundances, micro-physical, chemistry and dynamical processes at play in clouds) in comparison with theoretical models of exoplanetary atmospheres. A good understanding of the data provided by these new of spectrographs and of the new generation of atmosphere models is however mandatory to explore and identify the key physical and chemical elements dominating the physics of young exoplanetary atmospheres. In the frame of a PhD at IPAG, we propose a project that can be declined into three strategic lines of research : 1/ The first one concerns the development of inovant tools of «forward modeeling » to optimally compare observations with grids of atmospheric models. The tools will rely on the implementation of bayesian (« nested-sampling ») and genetic algorithms to explore the diversity offered by the latest generation of atmosphere models developed at Paris and Lyon, 2/ The second one will be a direct application of these tools to the medium and high resolution spectra (2000-75 000) of young imaged exoplanets and isolated analogues observed in the course of current programs with CRIRES, Xshooter, SINFONI at VLT and upcoming ones with SPIRou at CFHT or with JWST. This will lead to a fine characterization of their physical properties with age, mass and composition and a more general study of their formation, 3/ Finally, the student will lead a propsective study of the characterization and the detection of exoplanets with future spectrographs of the E-ELT (HARMONI, METIS and HIRES) that will combine innovant techniques of high-contrast imaging and medium to high-resolution spectroscopy. The PhD student will work in the Exoplanets team at IPAG under the supervision of Gaël Chauvin and Mickaël Bonnefoy, both experts in the domain of exoplanet detection and characterization. She/he will be member of the SPHERE, SPIRou and HARMONI consortia. She/he will collaborate with experts in the field of young brown dwrafs and medium and high resolution spectrographs at the Montréal University and LAM (Marseille) or exoplanetary atmosphere models at ENS-Lyon, LESIA (Paris), and CEA (Paris-Saclay). She/he will in addition develop skills in programming (python, idl), observations (SPHERE, Xshooter, SINFONI, SPIRou...), will benefit from rich national and international scientific environment, and will have the opportunity to share her/his work with the community through international schools and conferences.