Préparation des observations d'atmosphères d'exoplanètes en transit avec le télescope spatial James Webb : prise en compte des systématiques instrumentales et étude de l'hypothèse « dark-planet »

par Marine Martin-Lagarde

Thèse de doctorat en Physique de l'Univers

Sous la direction de Pierre-Olivier Lagage.

Le président du jury était Sébastien Charnoz.

Le jury était composé de Pierre-Olivier Lagage, Sébastien Charnoz, Marc Ollivier, Claire Moutou, Giovanna Tinetti, Emeline Bolmont.

Les rapporteurs étaient Marc Ollivier, Claire Moutou.


  • Résumé

    Depuis la première détection en 1995, plus de 4000 exoplanètes ont été découvertes. Pendant ces 25 dernières années, les instruments se sont grandement améliorés, dévoilant l'ubiquité et la diversité des exoplanètes. Leur étude, principalement focalisée sur la détection, a amorcé un tournant vers la caractérisation de l'atmosphère des exoplanètes. Avec les nouveaux télescopes spatiaux comme le JWST ou ARIEL, une connaissance plus détaillée de ces planètes, et en particulier de leur atmosphère, va être possible. La précision attendue des signaux (jusqu’à ~ 10 ppm) et la large gamme de longueurs d’ondes couverte ouvrent de nouveaux défis, notamment en traitement de données pour différencier les signaux provenant de la planète et de son atmosphère, de ceux venant d'autres sources, et en particulier des bruits systématiques et des dérives instrumentales.Dans cette thèse, nous avons mis au point un simulateur de données d’observations d’exoplanètes en transit avec l’instrument MIRI du JWST, qui prend en compte les effets de dérives du détecteur mesurés en laboratoire et qui sont bien souvent supérieurs au signal recherché. Pour cela :- Nous avons développé un nouvel outil, exonoodle, permettant de générer des séries temporelles de spectres d'un système exoplanétaire en transit. Ce programme calcule, avec une précision < 1 ppm, la contribution de l'étoile et de la planète au spectre observé, à un temps donné. Un bouclage efficace sur le temps et des options de parallélisations permettent alors d'obtenir une série temporelle sur tout ou partie de l'orbite de la planète autour de son étoile. Ce code est open source et est soumis pour publication au Journal of Open Source Software.- Nous utilisons ensuite le simulateur instrumental MIRISim. Ce simulateur n’ayant pas été conçu pour simuler des observations demandant une précision spectre-photométrique aussi fine que celle nécessaire lors des observations de transit d’exoplanètes, il ne prend pas en compte certaines dérives du détecteur. Ces dérives ne sont pas négligeables pour réaliser des simulations réalistes d'observations en séries temporelles d'exoplanètes en transit.- Nous avons donc conçu et développé un post-traitement des images simulées en réintroduisant des dérives. En s'appuyant sur les campagnes de tests sur le détecteur, nous avons identifiés trois effets importants dans le cadre des observations d'exoplanètes en transit : la dérive de la réponse (response drift), la dissipation du recuit (anneal recovery), la dissipation des phases d'attente (idle recovery).Ces jeux de données réalistes vont être utilisés pour le data challenge du programme Early Release Science du JWST dédié aux exoplanètes en transit et font l’objet d’un délivrable du projet Européen ExoplANETS-A.Lors des traitements de données de transit, l'hypothèse de « dark planet » est communément faite ; c’est-à-dire que l’on suppose que l’émission/réflexion de la planète peut être négligée. Nous avons entrepris de tester la validité de cette hypothèse à l’ère du JWST. En utilisant le code exonoodle, nous avons généré les courbes de lumières spectrales du système étoile-planète sur une fenêtre de transit pour un échantillon représentatif de 17 exoplanètes, nous avons montré que l’hypothèse n’est pas valable pour 5 de ces 17 exoplanètes. Nous avons mis en évidence deux effets ; un premier effet dit « self blend » (déjà identifié par Kipping & Tinetti (2010)) qui conduit à trouver une profondeur de transit plus faible que réelle et un deuxième effet dit « phase blend », qui conduit au contraire à une profondeur plus forte que réelle. Nous avons dérivé une expression analytique de ces effets qui permet de prédire leur importance pour chacun des systèmes étoile-exoplanète. Cette étude fait l’objet d’un article accepté dans The Astronomical Journal.

  • Titre traduit

    Preparation of the observations of transiting exoplanet atmospheres with the James Webb Space Telescope : Accounting for instrumental systematics and the study of the “dark-planet” hypothesis


  • Résumé

    Since the first exoplanet detection in 1995, more than 4000 exoplanets have been discovered. During the past 25 years, instruments have greatly improved, unravelling the ubiquity and diversity of exoplanets. The focus of their study, at first mainly on detection, is drifting towards exoplanets' atmosphere characterisation. With new space missions such as JWST and ARIEL, more precise knowledge of these planets, and particularly of their atmosphere will be possible. Both the expected precision of the signals (up to ~ 10 ppm) and the broad wavelength range covered open new challenges for data processing, to detrend signals generated by the planet and its atmosphere from those of other sources and in particular systematic noises an instrumental drifts.In this thesis, we developed a simulator for transiting exoplanet data with JWST-MIRI, taking into account the detector drifts measured in laboratory, and that are often more intense than the expected signal from the source. For that:- We started by developing a new tool, exonoodle, allowing to generate spectral time-series of a transiting exoplanetary system, at a given time. This program computes, with a precision < 1 ppm, the contribution of the star and the planet to the observed spectrum, at a given time. An efficient time loop and parallelisation options make it possible to obtain a time-series over the whole or portion of the planet orbit around the star. This code is open-source and submitted to the Journal of Open-Source Software.- Next, we use the instrument simulator MIRISim. This simulator was not designed to simulate observations demanding such sharp spectro-photometric precision as needed for exoplanetary transit observations and does not model some of the detector drifts. These effects are not negligible to achieve realistic simulations of time-series observations (TSOs) of transiting exoplanets.- Therefore, we developed a post-treatment of the simulated images, to introduce these systematic effects. Based on the data from ground test campaigns conducted on the detector, we identified three critical effects for these observations that were not adequately covered by MIRISim when used for TSOs: The response drift, the idle drift and the anneal recovery.These realistic synthetic data-sets will be used for the data challenge of the Early Release Science program of the JWST, dedicated to transiting exoplanets. They are a deliverable of the European project ExoplANETS-A.We then used exonoodle to test the validity of the so-called “dark-planet” hypothesis in light of the JWST. During the analysis of transiting data, it is common to consider a "dark-planet"; meaning to neglect any emission or reflection from the planet. We tested the validity of this hypothesis in light of the JWST. Using the code exonoodle, we generated spectral light-curves of the star-planet system on a transit window for a representative sample of 17 exoplanets. We showed that the hypothesis is not valid for 5 of these 17 planets. We have highlighted two effects: the first so-called “self-blend” (already identified by Kipping & Tinetti (2010)) that lead to finding a transit depth smaller than expected, and a second one, we named “phase-blend”, leading, on the contrary, to a depth larger than expected. We derived an analytical expression of these effects, allowing us to predict their importance for each of the star-planet systems. This study is submitted to the Astronomical Journal.


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