Evolution thermique et structure des exoplanètes géantes gazeuses

Thermal evolution and structure of gaseous giantexoplanets

• Auteur / Autrice : Christian Wilkinson
• Direction : Anne-Marie Lagrange
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysiquee
• Date : Soutenance le 14/10/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-2024)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Lellouch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Marie Lagrange, Ravit Helled, Yamila Miguel, Stéphane Mazevet, Pascal Tremblin, Tristan Guillot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ravit Helled, Yamila Miguel
• DOI : 10.70675/9070245fzc260z48eaza847z2983e6509c19

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exoplanètes

Atmosphères

Jupiters chauds

Statistique bayésienne

Mots clés libres

Exoplanètes

Géantes gazeuses

Atmosphère intérieure

Évolution thermique

Modélisation

Dégénérescence

Exoplanets

Gas-Giants

Atmosphere-Interior

Thermal Evolution

Forward Modeling

Degeneracy

Résumé

Cette étude se penche sur la caractérisation et l'évolution thermique des géantes gazeuses substellaires, avec un accent particulier sur les exoplanètes. Pour ce faire, nous développons un modèle atmosphère-intérieur auto-cohérent, basé sur des modèles déjà validés, en mettant l'accent sur le couplage entre les propriétés atmosphériques et intérieures, y compris la pression, la température, le poids moléculaire moyen et la gravité. Le modèle est rigoureusement comparé à des modèles atmosphère-intérieur similaires afin de garantir sa précision et sa fiabilité. Nous présentons également des méthodes efficaces pour construire des grilles de modèles, éviter les résultats erronés et démontrer leur utilité dans la modélisation prospective, le processus de prédiction des données d'observation basé sur un modèle théorique et des paramètres d'entrée.Un point central de ce manuscrit est le lien entre les données observables et les paramètres planétaires, visant à briser les dégénérescences en utilisant le modèle atmosphère-intérieur développé. Nous cherchons en particulier à comprendre le lien entre les propriétés thermiques et le rayon observé des Jupiters Chauds enflés. Grâce à la inférence Bayésienne, nous déterminons les caractéristiques planétaires les plus probables pour des exoplanètes telles que WASP-39 b et 51 Eridani b. L'importance des modèles nuageux est soulignée, car ils donnent des fits spectraux supérieursL'intégration de l'évolution thermique dans le processus de modélisation permet de résoudre les dégénérescences de masse, d'âge et de température.Cette approche est appliquée à plusieurs planètes, fournissant une analyse approfondie des données spectrales provenant de plusieurs instruments, y compris SPHERE, GPI, NaCo, et MIRI MRS.Enfin, nous discutons des améliorations potentielles du modèle, en l'alignant sur les nouvelles normes pour les structures intérieures, informées par les récentes découvertes de la mission Juno.Nous explorons également les limites des grilles construites, en considérant les contraintes physiques actuelles pour chaque paramètre et l'impact des facteurs manquants tels que le mélange vertical ou l'entropie initiale. Les développements futurs, tels que l'utilisation de réseaux neuronaux à la place des outils d'interpolation traditionnels, sont également envisagés.

This study delves into the characterization and thermal evolution of substellar gas giants, with a particular focus on exoplanets. To achieve this, we develop a self-consistent atmosphere-interior model, building on existing validated models, with an emphasis on the coupling between atmospheric and interior properties, including pressure, temperature, mean molecular weight, and gravity. The model is rigorously benchmarked against similar atmosphere-interior models to ensure its accuracy and reliability. We also present efficient methods for constructing grids of models, avoiding erroneous outcomes, and demonstrating their utility in forward modeling, the process of predicting observational data based on a theoretical model and input parameters.A central focus of this manuscript is the link between observable data and planetary parameters, aiming to break degeneracies using the developed atmosphere-interior model. We particularly seek to understand the connection between the thermal properties and the observed radius of inflated Hot-Jupiters. Through Bayesian inference, we determine the most probable planetary characteristics for exoplanets such as WASP-39 b and 51 Eridani b. The significance of cloudy models is underscored, as they yield superior spectral fits by incorporating this critical physical feature.Incorporating thermal evolution into the forward modeling process allows for resolving degeneracies in mass, age, and temperature. This approach is applied to various planets, providing an extensive analysis of spectral data from multiple instruments, including SPHERE, GPI, NaCo, and MIRI MRS.Finally, we discuss potential improvements to the model, aligning it with new standards for interior structures, informed by recent findings from the Juno mission. We also explore the limitations of the constructed grids, considering current physical constraints for each parameter and the impact of missing factors such as vertical mixing or initial entropy. Future developments, such as the use of neural networks instead of traditional interpolation tools, are also considered.