L'atmosphère des exoplanètes avec le James Webb Space Telescope

Exoplanet atmospheres with the James Webb Space Telescope

• Auteur / Autrice : Achrène Dyrek
• Direction : Pierre-Olivier Lagage
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de l'univers
• Date : Soutenance le 29/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Charnoz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Charnoz, Stéphane Mazevet, Magali Deleuil, Giovanna Tinetti, Sarah Kendrew
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Mazevet, Magali Deleuil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réduction des données (statistique)

Astronomie -- Instruments

Astronomie infrarouge

Planètes -- Atmosphères

Exoplanètes

Mots clés libres

Exoplanète

Atmosphère

Infrarouge

Instrumentation

Réduction et traitement de données

Géantes gazeuses

Rocheuses tempérées

Exoplanet

Atmosphere

Infrared

Instrumentation

Data reduction and analysis

Giant gaseous planets

Temperate rocky planets

Résumé

Ma thèse est consacrée à l'étude des atmosphères d'exoplanètes avec le télescope spatial James Webb Space Telescope (JWST). L'étude et la caractérisation d'atmosphères d'exoplanètes représente aujourd'hui un enjeu majeur au sein de la communauté scientifique et au-delà, puisqu'il s'agit de mettre en perspective tous ces mondes découverts au cours des trois dernières décennies et notre propre Système solaire, seul hôte connu de la vie à ce jour. La première partie de ce manuscrit est consacrée à une introduction qui présente l'état de l'art de notre connaissance des atmosphères d'exoplanètes en termes de composition atomique et moléculaire, de structure et de dynamique. Cette introduction se concentre sur l'étude des atmosphères d'exoplanètes dites transitantes (lorsque la planète passe devant ou derrière son étoile dans l'axe de visée des télescopes) et fournit une description de cette méthode observationnelle ainsi que des défis associés. La deuxième partie de ce manuscrit s'intéresse à l'élaboration de simulations d'observations d'atmosphères d'exoplanètes à l'aide du Mid-InfraRed Instrument (MIRI) du JWST (à l'époque encore en attente de son lancement) et de son spectromètre basse résolution (LRS). Mon objectif principal est la conception d'un outil de simulation complet et robuste qui permette à la communauté de valider les méthodes de réduction de données et de prédire les détections moléculaires [Dyrek+, sub., 2023, Morello, Dyrek+, 2022]. La troisième partie de ce manuscrit est dédiée à l'étude des performances en vol du LRS de MIRI après le lancement du JWST, le jour de Noël 2021. En effet, l'arrivée des premières données du JWST marque le début d'une étape cruciale de ma thèse. En particulier, je m'appuie sur le premier transit exoplanétaire observé par MIRI, celui de la Super-Terre L168-9b, choisie comme cible pour l'étude des performances. A partir de ces données, je me suis concentrée sur l'identification de variations instrumentales infimes qui pourraient porter atteinte à la stabilité temporelle des observations. De fait, je discute des axes d'améliorations des méthodes de réduction de données dans le cadre de l'étude d'exoplanètes en transit [Dyrek+, sub., 2023]. La dernière partie de ce manuscrit est consacrée à l'analyse scientifique des courbes de lumières photométriques et spectroscopiques d'atmosphères d'exoplanètes, des géantes gazeuses aux rocheuses tempérées. Je présente mes travaux collaboratifs dans le cadre du Temps Garanti d'Observation (GTO) et de l'Early Release Science (ERS) du JWST pour lesquels j'ai mené la réduction et l'analyse des données. En particulier, je m'intéresse à la super-Neptune WASP-107b dont l'analyse de données a conduit notamment à la première détection de dioxyde soufre (SO2) en infrarouge moyen et à la première détection de nuages de silicates [Dyrek+, sub., 2023b]. Enfin, je présente la première détection de l'émission thermique d'une exoplanète rocheuse et tempérée, TRAPPIST-1b, pour laquelle nous avons contraint la température de brillance qui indique l'absence d'une atmosphère dense [Greene +, 2023]. Le chapitre final est dédié à l'ensemble des perspectives ouvertes par la révolution observationnelle du JWST et de la future mission dédiée aux exoplanètes : Ariel.

My thesis is devoted to the characterisation of exoplanet atmospheres with the newly-operating James Webb Space Telescope (JWST). Our understanding of exoplanet atmospheres is being revolutionised by the observational capabilities of such an observatory. The scientific outcomes will reach our scientific community and the general public, putting into perspective our knowledge of our own Solar System, the only system that is known to host life. The first part of this manuscript is devoted to an introduction that includes a state-of-the-art review of exoplanet atmospheres characterisation in terms of atomic and molecular composition, structure and dynamics. In this introduction, we focus on transiting exoplanets (when the planet passes in front of or behind its host star in the telescope's line of sight). We provide a description of this observational method and key results that have been obtained over the past two decades. The second part of this manuscript focuses on the molecular composition predictions with the JWST Mid-InfraRed Instrument (MIRI) and its Low-Resolution Spectrometer (LRS) that is meant to carry out atmospheric spectroscopy in an uncharted wavelength range. Here, we present realistic simulations of transiting exoplanets I developed during my thesis, with the MIRI LRS instrument that include various instrumental systematics likely to alter the atmospheric features we are meant to detect in our data [Dyrek+, sub., 2023, Morello, Dyrek+, 2022]. Our main objective is to design a comprehensive simulation tool that enables the community to build robust data reduction methods and to predict molecular detections. The third part of this manuscript is dedicated to the characterisation of the in-flight post-commissioning performances of the MIRI LRS. This work is based on the first exoplanetary transit observed with MIRI of the Super-Earth L168-9b, chosen to be a calibration target. My work focuses on identifying in-flight instrumental systematics that undermine observations' stability and more generally, the study of transiting exoplanets [Dyrek+, sub., 2023]. The final part of this manuscript is devoted to the scientific analysis of photometric and spectroscopic observations of both gas giants and temperate rocky exoplanet atmospheres. Here, I present my contribution on data reduction and analysis to the collaborative work we conducted as part of the Guaranteed Time Observation (GTO) and the Early Release Science (ERS) consortia. In particular, our work on the super-Neptune WASP-107b led to the first mid-infrared detection of sulphur dioxide (SO2) and silicate clouds [Dyrek+, sub., 2023b]. In addition, we conducted the first detection of the thermal emission of the rocky temperate exoplanet TRAPPIST-1b. In this work, we have constrained its brightness temperature, revealing key insights in the presence or not of an atmosphere [Greene+, 2023]. The final chapter of my thesis is dedicated to the prospects offered by JWST and the future Ariel mission, as these two telescopes will provide game-changing observations over the next decades.