La conjonction de Beta Pictoris b en 2017 : vie et mort de PicSat, suivi d'une observation de la ré-émergence avec VLTI/GRAVITY

The 2017 conjunction of Beta Pictoris b : the life and death of Picsat, followed by a VLTI/GRAVITY observation of the re-emergence

• Auteur / Autrice : Mathias Nowak
• Direction : Sylvestre Lacour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 18/09/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....) - Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Carine Briand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvestre Lacour, David Mouillet, Bruce Macintosh, Anne-Marie Lagrange, Samantha Thomson, Julien Girard, Matthew Kenworthy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Mouillet, Bruce Macintosh

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planètes -- Origines

Interférométrie

Nanosatellites

Exoplanètes

Mots clés libres

Beta Pictoris

Exoplanète

CubeSat

Interférométrie

Formation des planètes

Beta Pictoris

Exoplanets

CubeSat

Interferometry

Formation of planets

Résumé

Beta Pictoris est probablement le système stellaire le mieux connu en dehors de notre propre système solaire. La rare combinaisaon d'une étoile brillante, de la présence d'un disque de débris vu par la tranche, et du jeune âge du système font de Beta Pictoris une cible particulièrement intéressante dans l'étude de l'évolution des sytèmes planétaires. Trente ans d'observations par imagerie directe et par spectroscopie de transit ont déjà produit une moisson de résultats, qui dépeignent aujourd'hui un système extrêmement structuré, avec la présence d'anneaux, de ceintures, et d'une planète géante : Beta Pictoris b. En revanche, pour ce qui est de comprendre l'origine du système et de la façon dont il s'est formé, la récolte reste jusqu'à présent bien pauvre, et l'on ne sait finalement que peu de choses sur la formation de Beta Pic b, et la façon dont la planète interagit avec le disque.Cette thèse porte sur deux nouvelles tentatives d'observation faites durant la période de conjonction inférieure de Beta Pictoris b, en 2017/2018.Dans la cadre de la campagne internationale d'observation du transit de la sphère de Hill de Beta Pic b en 2017, un CubeSat trois-unités, PicSat, a été lancé en orbite basse, avec à son bord un photomètre fibré. L'objectif de cette mission était de surveiller la luminosité de l'étoile Beta Pictoris, afin de détecter et de caractériser le transit de la sphère de Hill de Beta Pictoris b. La première motié de cette thèse détaille la conception, le développement, et les tests de l'instrument scientifique de la mission. Le satellite a été correctement déployé en orbite, mais un mauvais fonctionnement de son système commercial de contrôle d'attitude a rendu impossible toute obtention de données photométriques.La seconde moitié de cette thèse présente une observation de la planète géante Beta Pictoris b faite avec l'instrument GRAVITY, peu après la conjonction de la planète. Les quatre téléscopes de 8,2~m de l'Interféromètre du Très Grand Télescope (VLTI, en anglais) ont été combinés pour obtenir un spectre en bande K, a moyenne résolution, de la planète. Ce spectre donne notamment une première estimation du rapport planétaire carbone/oxygène, qui semble fortement sous-stellaire. Combiné à un modèle d'evolution du rapport C/O au cours de la formation de la planète, cette observation semble montrer que Beta Pictoris b se serait formée par accrétion de coeur, plutôt que par effondrement gravitationnel du disque proto-planétaire.

Beta Pictoris is arguably the best-known stellar system outside of our own. A rare combination of a bright star, the presence of an edge-on debris disk, and the young age of the system, all make Beta Pic a remarkable target to study the evolution of planetary systems. Thirty years of direct imaging and transit spectroscopy observations have revealed a highly structured disk, with rings, belts, and a giant planet: Beta Pic b. But very little is known about how the system came into being. In particular, the formation history of Beta Pic b and the way it interacts with the disk remain elusive.This thesis focuses on two new attempts made to observe the giant planet, at the time of its inferior conjunction, in 2017/2018.As part of the international observation campaign dedicated to the 2017 Beta Pic b Hill sphere transit, PicSat, a small three-unit CubeSat, was launched to Low Earth Orbit. The satellite carried a fibered photometer, whose objective was to monitor the brightness of the star Beta Pictoris, in order to detect and characterize the transit of the Hill sphere of Beta Pictoris b. The design, development, and tests of this instrument are detailed in the first part of this thesis. The satellite was successfully deployed in orbit, but a malfunction of its commercial attitude control system made it unable to produce any photometric data.The second part of this thesis introduces VLTI/GRAVITY spectro-interferometric observations of the giant planet Beta Pic b, made soon after the conjunction. The combined four 8.2~m telescopes of the VLTI were used to obtain a high signal to noise, medium resolution, K-band spectrum of the planet, from which the first estimate of the planetary carbon-to-oxygen ratio was be derived. The resulting substellar C/O ratio suggests that the giant planet is unlikely to have formed through gravitational instability, and that core-accretion is a more plausible scenario.