Recherche d'exoplanètes dans le proche voisinage solaire

Search for exoplanets in the close solar neighbourhood

• Auteur / Autrice : Guillaume Gaisné
• Direction : Xavier Delfosse, Xavier Bonfils
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Karine Rousselet-Perraut
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rodrigo Diáz, Faustine Cantalloube
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : René Doyon, Guillaume Hébrard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Astronomie infrarouge

Télédétection

Exoplanètes

Mots clés libres

Traitement du signal

Instrument infrarouge

Vitesse radiale

Infrared instrumentation

Radial velocity

Signal processing

Résumé

Depuis la première découverte d'une exoplanète autour d'une étoile de type solaire en 1995, la recherche d'exoplanètes est devenue un champ de recherche à part entière en astrophysique.À ce jour, plus de 4500 exoplanètes ont été découvertes grâce à plusieurs techniques d'observation complémentaires.Historiquement, c'est la méthode des vitesses radiales qui a permis la première détection, elle est aujourd'hui la seconde méthode ayant fait le plus de découvertes, après les transits, elle permet cependant de couvrir une gamme de période plus grande que la méthode des transits et apporte une mesure de la masse planétaire en plus de celles des paramètres orbitaux.Grâce aux évolutions technologiques, ainsi qu'au développement de nouvelles méthodes de traitement des données, les limites de détection en masse planétaire sont de plus en plus poussées vers de faibles masses pour des planètes en orbite autour des étoiles de type solaire.Seulement, un autre type d'étoiles attire également l'attention des chercheurs: les naines M.Ce sont des étoiles de plus faible masse et de plus faible rayon que le Soleil et dont la proportion dans la galaxie est beaucoup plus importante que tout autre type d'étoiles.L'intérêt d'observer les naines M tient en plusieurs points: leur plus faible masse implique que l'amplitude mesurée de la vitesse radiale de l'étoile sera plus importante pour une même planète que pour une étoile plus massive et leur plus faible rayon implique que les transits mesurés seront plus profonds et donc plus facilement caractérisable.Ces étoiles ont aussi une température de surface moins importante ce qui rapproche la zone habitable de l'étoile et facilite donc la détection de planètes dans cette zone.Seulement, le spectre des naines M a un pic d'émission dans l'infrarouge et elles sont donc difficilement observables par les spectrographes visibles.Depuis quelques années, de nouveaux instruments ont donc vu le jour avec l'infrarouge proche pour domaine d'observation.C'est le cas du SpectroPolarimètre InfraRouge (SPIRou) qui a été installé au CFHT à Hawaii en 2018 et un de ses objectifs est de détecter des planètes par vitesses radiales en orbite autour d'un large panel de naines M du proche environnement solaire.Mon travail de thèse s'inscrit dans le suivi de cet instrument lors de son installation, afin d'étudier la stabilité des mesures prises et d'aider à améliorer la réduction des données ainsi que la précision des vitesses mesurées en évaluant le bruit résiduel introduit par la correction des raies telluriques dans les spectres mais aussi la dispersion supplémentaire causée par le bruit modal, inhérent à l'utilisation de fibres optiques.Pour calculer les vitesses radiales des spectres, j'ai également amélioré et adapté un code de calcul de vitesses radiales, initialement développé pour le spectrographe optique HARPS, pour l'utiliser avec les données mesurées par SPIRou.L'application de cet algorithme m'a permis de mettre en évidence des instabilités dans les spectres infrarouges et j'ai pu mettre à jour plusieurs pistes pour en améliorer la stabilité.J'ai également utilisé ce code pour ré-analyser une série de spectres de l'étoile GJ436 prise par le spectrographe HARPS pour étudier un signal périodique visible dans les vitesses radiales calculées.

Since the discovery in 1995 of the first exoplanet around a solar type star, the search for exoplanets became a field of research on its own in astrophysics.To this day, more than 4500 exoplanets have been discovered, with several complementary observing techniques.Historically, the radial velocity method is the one that allowed the detection of the first exoplanet.Today, it is the second detection method in terms of the number of planets discovered, after the transit method, it covers a bigger range of period than the transit method and allows to have an estimation of the minimum planetary mass in addition of the orbital parameters.Thanks to technological breakthroughs and new methods in data processing, the planetary mass detection limits are pushed further and further towards small terrestrial masses for planets orbiting around solar-type stars.However, an other type of stars is drawing the attention of the researchers: the M dwarfs.These stars have a mass and radius lower than that of the Sun and they are the most present type of stars in the whole galaxy.What is interesting about these M dwarfs lies in several points: thanks to their low mass, the amplitude of the radial velocity measurable and induced by a certain planet is higher than for a star more massive; with their lower radius, the depth of the measured transit will be more important than for a bigger star; these stars have a lower surface temperature and so the orbits lying in the habitable zone of these stars are closer than for hotter stars, this way it will be easier to detect planets in their habitable zone.However, the emission spectrum of M dwarfs has a peak emission in the infrared and a rather weak emission in the visible and so, they are mostly faint targets for the optic spectrographs.Lately, new instruments have been and are currently designed to observe in the infrared domain.It is the case of the Infrared Spectropolarimeter (SPIRou), which has been installed at the CFHT in Hawaii in 2018.One of its science goals is to detect planets orbiting M dwarfs, using the radial velocity technique.During my thesis, I helped with the characterisation of this new instrument during its commissionning phase, evaluating its stability.In order to improve the data processing and the precision of the radial velocity measurements, I quantified the residual noise introduced by the correction of the tellurics lines in the spectra but also the additionnal dispersion caused by the modal noise, inherent to the use of optical fibers.Then, to compute the radial velocity, I improved and adapted a template matching code to compute radial velocity, initially developed to treat the data of the HARPS spectrograph, to use it with the data measured by SPIRou.Applying this code to the SPIRou data allowed me to highlight some instabilities in the infrared spectra of SPIRou and I could point towards different improvements options.I also used this code to re-analyse a sequence of spectra of the star GJ436 measured by HARPS to study a periodic signal visible in the radial velocities computed.