Surmonter l'impact de l'activité stellaire sur la détection et caractérisation d'exoplanètes : application au suivi de candidats TESS avec le spectrographe SOPHIE

Overcoming the stellar activity impact on exoplanet detection and characterization : application to the follow-up of TESS candidates with the SOPHIE spectrograph

• Auteur / Autrice : Neda Heidari
• Direction : Farrokh Vakili, Nematollah Riazi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur en cotutelle avec Shahid Beheshti University (Tehran)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Magali Deleuil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Farrokh Vakili, Magali Deleuil, Claude Catala, Isabelle Boisse, Monika Lendl, Lionel Bigot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Marie Lagrange, Claude Catala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photométrie

Vélocimétrie laser Doppler

Astronomie -- Instruments

Télédétection

Exoplanètes

Mots clés libres

Vitesse radiale

Photométrie

Planètes de faible masse

Limites instrumentales

Vitesse radiale à haute-précision

Radial velocity

Photometry

Low-mass planets

Instrumental limitations

Precision Radial Velocity (PRV)

Résumé

Les exoplanètes de faible masse, c'est-à-dire celles ayant une masse inférieure à 30 masses terrestres, ont des compositions très différentes.Leur densité apparente, obtenue à partir de la vitesse radiale et des données photométriques, va des super-Terres rocheuses massives avec un noyau riche en fer aux "super-puffs", des objets de faible densité avec des atmosphères gazeuses épaisses.Les compositions très diversifiées de ces planètes soulèvent plusieurs questions pour les théories de perte atmosphérique et de formation planétaire.Notre capacité à y répondre est actuellement limitée par le nombre restreint de planètes de faible masse dont les propriétés fondamentales ont été précisément caractérisées.L'objectif de cette thèse est d'étudier la diversité des compositions des planètes de faible masse, en augmentant l'échantillon de planètes précisément caractérisées et en faisant le lien entre les observations et les trajectoires de formation de ces corps.Plus particulièrement, dans cette thèse, je surmonte deux défis : 1. les limitations instrumentales, en améliorant la réduction et le traitement des données et (2) la détection de planètes de faible masse et leur caractérisation.Lorsque l'on utilise la méthode des vitesses radiales, un système de réduction de données très précis et capable de traiter les éventuelles sources d'erreurs systématiques est nécessaire pour atteindre la limite instrumentale.Je me suis donc d'abord concentrée sur la résolution de problèmes et l'amélioration du logiciel de réduction de données SOPHIE (DRS). J'ai mis à jour le code de la DRS vers la dernière version du logiciel Python et y ai ajouté plusieurs nouvelles fonctionnalités, notamment corriger de l'effet de dispersion atmosphérique, fixer le nombre de lignes de masque à différentes époques, optimiser la variation à long terme à partir du point zéro, optimiser la détection de détection des spectres contaminer par le spectre du Soleil et la corriger de la contamination de fond de la lampe d'étalonnage. Ces améliorations logicielles ont permis de réduire de 22 cm/s en moyenne la dispersion des mesures en VRs, et de 18,57 m/s en moyenne la dispersion de la mesure de la largeur à mi-hauteur des raies (voir le chapitre 2 de cette thèse). Ensuite, j'ai entrepris la détection et la caractérisation de planète de faible masse.D'une part, j'ai analysé les données photométriques disponibles et les vitesses radiales des cibles du sous-programme 1 de SOPHIE (SP1), un programme dédié à la détections de planètes de faible masse. Mon objectif principal, grâce à l'analyse des données spectroscopiques, était de détecter des signaux périodiques significatifs dans les données de vitesse radiale et d'étudier une variété d'indicateurs d'activité stellaire, afin d'aider à confirmer la nature du signal. D'autre part, l'analyse photométrique m'a permis I) d'explorer la possible détection d'un nouveau signal planétaire dans les données TESS; II) d'étudier les variations probables de VR induites par l'activité; III) d'évaluer l'activité des étoiles hôtes des candidats planètes SOPHIE. Ces travaux ont conduit à la découverte de deux planètes en transit et de plusieurs candidats, et ont permis d'éliminer certains faux positifs (voir le chapitre 3 de cette thèse). Enfin, j'ai fait une étude générale des planètes de faible masse.J'y discute certaines questions clés de la science des exoplanètes, et de la manière dont les instruments et méthodes actuels et futurs aideront à y répondre (voir chapitre 4). Les techniques développées et les résultats rassemblés dans cette thèse contribueront grandement à la détection précise et à la bonne caractérisation des futures planètes détectées par SOPHIE. Les futures découvertes de planètes de faible masse contribueront à une meilleure compréhension de cette population.

Low-mass planets, with a mass of lower than 30 Earth masses, have an extraordinarily diverse range in terms of compositions. Their bulk density, derived by combining radial velocity and photometric data, ranges from massive rocky super-Earth with iron‐rich cores to low-density objects with deep gaseous atmospheres, so-called super-puffs. The extremely diverse composition of these planets raises several questions in theories of atmospheric loss and planetary formation. Our ability to answer these questions is currently limited by the low number of low-mass planets for which fundamental properties have been accurately characterized.The goal of this thesis is to contribute to the study of the diversity of low-mass planets composition, by increasing the sample of precisely characterized low-mass planets and making the link between the observations and the formation paths of these bodies. More specially, this thesis focuses on overcoming two big challenges 1) instrumental limitations, to improve radial velocity data reduction and processing to facilitate the detection of low-mass planets, and 2) detecting low-mass planets and well-characterizing them.In radial velocity, a highly precise data reduction system, that can treat the possible systematic sources of errors, is required to reach the instrumental limit of detecting low-mass planets. Therefore, first I focused on troubleshooting and improving the SOPHIE Data Reduction Software (DRS). I have been updating the DRS to the latest python version and added several new features to it, including correcting the atmospheric dispersion effect, fixing the number of mask lines at different epochs, optimizing long-term variation from the zero-point, optimizing conditions for detecting solar contamination spectra, and correcting background contamination of calibration lamp. These attempts led to a great improvement of 22 cm/s in mean RVs RMS, and 18.57 m/s in mean FWHM RMS (see chapter 2 of this thesis).Then, I faced the challenge of low-mass planet detection and accurately characterizing them. I carried out the full photometry and radial velocity analysis of the SOPHIE SP1 targets, a dedicated program to probe low-mass planet detections. Through their radial velocity analysis, my main goal was to investigate for detecting the significant periodic signals in radial velocity data, and study a variety of stellar activity indicators, to help with confirmation of the nature of a signal. Through their photometry analysis, my investigation was with the aim of I) trying to detect a new planet signal in TESS data; II) investigating the likely activity-induced RV variations; III) evaluating the activity of host stars of SOPHIE planet candidates. These attempts resulted in the discovery and full characterization of two transiting low-mass planets and several other candidates, and successfully removed some false positives of SOPHIE planet candidates (see chapter 3 of this thesis).Finally, I carried out a general study of the known low-mass planets as of 2022. I discussed some key exoplanet science questions, and how current and future instruments and methods will help to answer them (see chapter 4). The techniques developed and the results gathered in this thesis will greatly contribute to the accurate detection and well characterization of future planets detection by SOPHIE. Discovered low-mass planets will contribute to a deeper understanding of the low-mass planet populations.