Caractérisation des atmosphères exoplanétaires par spectroscopie haute résolution

Characterization of exoplanetary atmospheres with high resolution spectroscopy

• Auteur / Autrice : Adrien Masson
• Direction : Sandrine Vinatier, Bruno Bezard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 13/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LESIA - Laboratoire d'Etudes Spatiale et d'Instrumentation en Astrophysique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris
• Jury : Président / Présidente : François Forget
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sandrine Vinatier, Bruno Bezard, Giovanna Tinetti, Antonio García Muñoz, René Doyon, Andrea Chiavassa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giovanna Tinetti, Antonio García Muñoz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planètes -- Atmosphères

Exoplanètes

Spectroscopie à haute résolution

Mots clés libres

Spectroscopie haute résolution

Exoplanètes

Caractérisation des atmosphères

Echappement atmosphérique

Détection de signatures moléculaires

Spectroscopie de transit

High resolution spectroscopy

Exoplanets

Atmospheric characterization

Atmospheric escape

Molecular signatures detections

Transit spectroscopy

Résumé

Bien que des milliers d'exoplanètes aient été confirmées au cours des deux dernières décennies, des contraintes observationnelles sur leur composition n'ont été obtenues que pour quelques centaines d'entre elles. Les méthodes de détection actuelles ne donnent en effet accès qu'au rayon et à la masse de la planète, et donc à sa densité moyenne, ce qui conduit généralement à une importante dégénérescence en termes de composition et structure. La caractérisation des atmosphères exoplanétaires constitue donc un défi pour la communauté : contraindre la composition, la dynamique, et la structure globale de l'atmosphère d'une exoplanète permet de mieux comprendre l'histoire de sa formation et de son évolution, et de replacer notre système solaire dans un contexte plus large grâce à la planétologie comparée. La spectroscopie de transmission s'est imposée comme une méthode puissante pour la caractérisation des atmosphères exoplanétaires : lorsqu'une exoplanète passe devant son étoile hôte, une partie du flux stellaire traverse l'atmosphère de l'exoplanète, imprimant la signature de ses composants moléculaires sur le flux observé. L'observation de ces spectres avec des spectromètres à haute résolution depuis le sol permet de détecter les espèces présentes dans l'atmosphère et de sonder sa dynamique, tout en étant moins sensible que les observations spatiales, à basse ou moyenne résolution spectrale, aux opacités des nuages et brumes photochimiques. Cependant, l'analyse de ces observations nécessite des méthodes de traitement des données de pointe pour corriger les effets de l'atmosphère terrestre, les contributions de l'étoile en arrière-plan, et extraire le faible signal planétaire dont l'amplitude des raies est bien plus faible que le bruit. Durant cette thèse, j'ai travaillé sur la caractérisation atmosphérique de quinze exoplanètes observées avec SPIRou, un spectropolarimètre infrarouge installé au télescope Canada-France-Hawaï. J'ai développé un pipeline complet pour rechercher des signatures de l'échappement atmosphérique et de molécules dans les cibles étudiées, en tenant compte d'effets subtils comme la déformation des raies stellaires induite par le transit de l'exoplanète. J'ai recherché la signature du triplet métastable de l'hélium à 1083,3 nm (dans le vide), un traceur infrarouge de l'échappement atmosphérique, et ai contraint les propriétés de l'échappement en utilisant une combinaison de modèles hydrodynamiques 1D et de codes de transfert radiatif hors équilibre thermodynamique local. En utilisant des méthodes de corrélation croisée et de Nested Sampling couplées à un code d'équilibre radiatif-convectif 1D et à un modèle de transfert radiatif à haute résolution, j'ai recherché la présence de H2O, CO, et CH4, et ai contraint leurs abondances dans les planètes étudiées. L'application d'un même pipeline de réduction à un ensemble de cibles observées avec un même instrument m'a permis d'obtenir des contraintes de façon homogène, participant ainsi à notre compréhension statistique des exoplanètes en termes de compositions et de structure atmosphérique.

Thousands of exoplanets have been confirmed in the last two decades, and yet observational constraints on their compositions have only been obtained for a few hundred of them so far. Current detection methods only give access to the radius and mass of a planet and therefore to its bulk density, which generally induces large degeneracies in terms of composition and structure. Characterization of exoplanet atmospheres has therefore emerged as a challenge for the exoplanet scientific community. Constraining the composition, dynamics, and overall structure of an exoplanet atmosphere allows us to infer its formation and evolution history and to put our Solar system in a broader context through comparative planetary science. Transmission spectroscopy has emerged as a powerful method to characterize exoplanetary atmospheres: when an exoplanet transits its host star, part of the stellar flux passes through the exoplanet’s atmosphere, imprinting the signature of its molecular components on the observed flux. Observing these transmission spectra with ground-based high-resolution spectrometers allows us to detect the species present in the atmosphere and probe the dynamics of the atmosphere by resolving the individual lines, all while being less sensitive to clouds and hazes opacities than space-based observations at medium-resolution. However, the analysis of ground-based observations requires state-of-the-art data reduction and processing methods to correct for the Earth atmosphere and the background host star contributions and to extract the faint planetary signal whose individual lines amplitude are orders of magnitude weaker than the noise. During this thesis, I worked on the atmospheric characterization of fifteen exoplanets observed with the SPIRou instrument, a near-infrared spectropolarimeter at the Canada France Hawaii Telescope. I developed a complete data processing and analysis pipeline to search for atmospheric escape and molecular signatures in the studied targets, taking into account subtle effects such as the deformation of the stellar lines induced by the exoplanet transit. I searched for the metastable He triplet signature at 1083.3 nm (in vacuum), a near-infrared probe for atmospheric escape, and constrained the escaping atmosphere properties using a combination of 1D hydrodynamic escape and Non Local Thermodynamic Equilibrium radiative transfer models. Using Cross Correlation Function and Nested Sampling methods coupled with a 1D radiative-convective equilibrium code and a high-resolution radiative transfer model, I searched for the presence of H2O, CO, and CH4, and constrained their abundances in the targeted planets. Applying the same reduction pipeline on a set of targets observed with the same instrument further allowed me to provide homogeneously retrieved constraints on these targets, paving the way toward a statistical understanding of exoplanets in terms of atmospheric composition and structure.