Caractérisation des atmosphères exo-planétaires à l'aide d'observations à moyenne et haute résolution spectrale

Characterisation of exoplanetary atmospheres using medium and high resolution spectroscopy

• Auteur / Autrice : Simon Petrus
• Direction : Gaël Chauvin, Mickaël Bonnefoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 12/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Berger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amelia Bayo, Beth Biller, Benjamin Charnay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Lafrenière, David Ehrenreich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Statistique bayésienne

Exoplanètes

Mots clés libres

Atmosphères

Observations

Exoplanètes

Formation

Spectrographe moyenne et haute résolution

Atmospheres

Observations

Exoplanets

Formation

Medium and high resolution spectroscopy

Résumé

La découverte de la première exoplanète, 51 Pegasi b en 1995, marque un jalon dans l’histoire de l’astronomie moderne. Depuis, plus de 4300 nouvelles planètes ont été détectées, à l’aide de méthodes de détection indirectes (vitesses radiales, transits planétaires, micro-lentilles gravitationnelles) ou directes (imagerie, astrométrie). La diversité de ces exoplanètes en matière de séparation, masse, rayon ou multiplicité, a totalement remis en questions nos connaissances sur la physique et l’architecture des systèmes planétaires, jusque là limitées à notre propre système solaire, et pose les questions de leur formation et de leur évolution. Y a-t-il un mécanisme de formation universel ou des modes de formations propres à chaque type de planète? C’est dans ce contexte dynamique et en constante évolution que mon travail se place. Ces trois dernières années, j’ai développé et appliqué un outil d’analyse Bayésienne, fondé sur l’algorithme du nested sampling, pour estimer les propriétés atmosphériques et physiques d’exoplanètes et de jeunes naines brunes de faible masse. Certaines de ces propriétés sont connues pour être des traceurs des mécanismes physiques en jeu lors de la formation des objets sous-stellaires, comme la métallicité ou le rapport C/O.La première partie de ce manuscrit se focalise sur la caractérisation atmosphérique de neuf jeunes naines brunes de faible masse en utilisant une grille de spectres synthétiques générée avec les modèles BT-SETTL. Puis, nous nous intéresserons à la méthode du molecular mapping qui tire profit de l’information spectrale et spatiale permise par les spectrographes à intégrale de champ, pour détecter et caractériser des compagnons planétaires. Enfin, une troisième partie présentera les résultats préliminaires de l’analyse de la librairie X-Shyne, composée de trente-huit analogues planétaires isolés, jeunes et froids, à l’aide de trois modèles d’atmosphères: ATMO, BT-SETTL et Exo-REM.Ces études ont permis, entre autres, de caractériser l’atmosphère d’analogues planétaires en apportant des indices sur leur mode de formation (les rapports C/O estimés pointent vers des mécanismes de formation stellaires pour les objets de X-Shyne.), de confirmer et étendre aux naines froides les relations empiriques entre les propriétés physiques de ces objets (âge, température effective, gravité) et leurs propriétés spectrales, de mettre en évidence les limites d’utilisation des modèles d’atmosphères, et d’explorer le potentiel de détection et de caractérisation du molecular mapping. La librairie unique X-Shyne servira dans l’avenir d’objets de comparaison aux observations de compagnons planétaires, de gabarits pour la génération de données simulées afin de préparer l’arrivée de la nouvelle génération d’instruments, et sera utilisée pour développer de nouvelles versions de modèles d’atmosphères.

The discovery of the first exoplanet, 51 Pegasi b in 1995, marks a milestone in the history of modern astronomy. Since then, more than 4300 new planets have been detected, using indirect (radial velocities, planetary transits, gravitational micro-lenses) or direct (imaging, astrometry) detection methods. The diversity of these exoplanets in terms of separation, mass, radius or multiplicity, has completely questioned our knowledge of the physics and architecture of planetary systems until then limited to our own solar system and raises questions about their formation and their evolution. Is there a universal mechanism of formation or a mechanism specific to each type of planet?It is in this dynamic and constantly evolving context that my work takes place. Over the past three years, I have developed and applied a Bayesian analysis tool, based on the nested sampling algorithm, to estimate the atmospheric and physical properties of exoplanets and young, low mass, brown dwarfs. Some of these properties are known to be tracers of the physical mechanisms involved in the formation of substellar objects, such as the metallicity or the C/O ratio.The first part of this manuscript focuses on the atmospheric characterisation of nine young low mass brown dwarfs using a grid of synthetic spectra, generated with the BT-SETTL models. Then, I will focus on the molecular mapping method, which takes advantage of the spectral and spatial information enabled by integral filed spectrographs, to detect and characterise planetary companions. Finally, a third part will present the preliminary results of the analysis of the X-Shyne library, composed of thirty-eight isolated, young and cold planetary analogues, using three atmospheric models: ATMO, BT-SETTL and Exo-REM.These studies allowed the atmospheric characterisation of planetary analogues and provided clues on their formation mode (the estimated C/O ratios point to stellar mechanisms for the objects of X-Shyne). They also confirmed and extended to cold dwarfs the empirical relations between the physical properties of these objects (age, effective temperature, gravity) and their spectral properties, highlighted the limits of use of atmospheric models, and explored the potential for detection and characterisation of the molecular mapping. The unique library X-Shyne will serve, in the future, as objects of comparison for observations of planetary companions, as templates for the generation of simulated data in order to prepare for the arrival of the new generation of instruments, and will be used to develop new versions of atmospheric models.