Structure thermique, composition, dynamique de l’atmosphère et évolution à long-terme des exoplanètes irradiées

par Vivien Parmentier

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers

Sous la direction de Tristan Guillot.

Soutenue le 17-06-2014

à Nice , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , en partenariat avec Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes) (laboratoire) .

Le président du jury était Marianne Faurobert-Scholl.

Le jury était composé de Marianne Faurobert-Scholl, Isabelle Baraffe, François Forget, David Charbonneau, Thierry Lanz, Olivier Grasset.

Les rapporteurs étaient Isabelle Baraffe, François Forget.

mots clés

• Exoplanètes
• Transfert radiatif
• Non-gris
• Dynamique
• Évolution
• Jupiter-chauds
• Mini-Neptunes
• Super-Terres
• Transfert radiatif
• Dynamique
• Jupiters chauds

Résumé

Plus d’un millier d’exoplanètes ont été découvertes depuis une dizaine d’années. Plus incroyable encore, nous pouvons maintenant caractériser les atmosphères de ces mondes lointains. Des spectres de Jupiter-chauds tels que HD 189733b et HD 209458b et de planètes similaires à Neptune telles que GJ1214b sont déjà disponibles et ceux de planètes plus petites le seront bientôt. La plupart des observations caractérisent l’état moyen de l’atmosphère. Pour les cas les plus favorables, l’observation des courbes de phase et la technique de cartographie par éclipse secondaire permettent d’obtenir une résolution en longitude et en latitude. Les planètes les plus proches de leurs étoiles sont aussi les plus faciles à observer. Ces mondes chauds sont radicalement différents des exemples que nous avons dans le système solaire. Modéliser correctement leurs atmosphères est un défi à relever pour comprendre les observations présentes et à venir. Durant cette thèse, j’ai développé des modèles de différente complexité pour comprendre les interactions entre la structure thermique, la composition, la circulation atmosphérique et l’évolution à long terme des exoplanètes irradiées. La forte luminosité de leur étoile hôte détermine le climat de ces planètes. Elle engendre une circulation atmosphérique qui maintient l’atmosphère dans un état de déséquilibre thermique et chimique, affectant son évolution. Avec les futurs instruments de nombreuses autres planètes vont être découvertes et caractérisées. Nos modèles seront testés sur une large diversité de planètes, ouvrant les portes de la climatologie aux exoplanètes.

mots clés

• Exoplanets
• Radiative transfer
• Non-grey
• Atmospheric dynamics
• Evolution
• Hot Jupiter
• Mini-Neptune
• Super-Earth

Titre traduit

Thermal structure, composition, atmospheric dynamics and long-terme evolution of irradiated exoplanets

Résumé

More than a thousand exoplanets have been discovered over the last decade. Perhaps more excitingly, probing their atmospheres has become possible. We now have spectra of hot Jupiters like HD 189733b and HD 209458b, of Neptune-like planets like GJ1214b and even smaller planets are within reach. Most exoplanet atmospheric observations are averaged spatially, often over a hemi- sphere (during secondary eclipse) or over the limb of the planet (during transit). For favorable targets, longitudinal and latitudinal resolution can also be obtained with phase curve and secondary eclipse mapping techniques respectively. The closer the planet orbits to its star, the easier it is to observe. These hot planets strongly differ from the examples we have in our solar-system. Proper models of their atmospheres are challenging yet necessary to understand current and future observations. In this thesis, I use a hierarchy of atmospheric models to understand the interactions between the thermal structure, the composition, the atmospheric circulation and the long-term evolution of irradiated planets. In these planets, the large stellar irradiation dominates the energy budget of the atmosphere. It powers a strong atmospheric circulation that transports heat and material around the planet, driving the atmosphere out of thermal and chemical equilibrium and affecting its long-term evolution. Future instruments (Gaia, SPIRou, CHEOPS, TESS, PLATO etc) will discover many more planets that the next generation of telescopes (GMT, TMT, E-ELT or JWST) will characterize with an unprecedented accuracy. Models will be tested on a large sample of planets, extending the study of climates to exoplanets.