Caractériser les propriétés atmosphériques de naines rouges à partir de spectres obtenus avec SPIRou

Characterizing atmospheric properties of red dwarfs from spectra recorded with SPIRou

• Auteur / Autrice : Paul Cristofari
• Direction : Jean-Francois Donati
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 22/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Claire Moutou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Francois Donati, Claire Moutou, Pascal Fouqué, Gaitee Hussain, Thomas Masseron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Forveille, Céline Reylé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Spectroscopie astronomique

Naines rouges

Mots clés libres

Transfert radiatif

Activité stellaire

Physique stellaire

Atmosphères stellaires

Formation stellaire

Spectroscopie stellaire

Stellar atmospheres

Stellar physics

Stellar activity

Radiative transfer

Stellar formation

Stellar spectroscopy

Résumé

Au cours des dernières décennies, les naines rouges ont attiré une attention croissante et ont été identifiées comme des cibles de choix pour la chasse aux exoplanètes situées dans la zone habitable de leurs étoiles hôtes, ainsi que pour l'étude des champs magnétiques dans les étoiles froides. Néanmoins, leur étude représente toujours un grand défi technique et scientifique en raison de la faible luminosité de ces étoiles. Cette thèse est dédiée à l'étude des naines rouges, et en particulier à leur caractérisation à partir de spectres proche-infrarouge à haute résolution et à haut rapport signal sur bruit obtenus avec le spectro-polarimètre SPIRou installé au télescope Canada-France-Hawaï. Nous utilisons des spectres synthétiques pour déterminer les paramètres atmosphériques des naines rouges, en utilisant la large couverture en longueur d'onde de SPIRou. Nous montrons comment des modèles différents et des listes de raies différentes peuvent avoir un impact significatif sur les paramètres atmosphériques estimés. Avec notre analyse, nous montrons que nous sommes capables de déterminer ces paramètres avec une précision d'environ 30 K en température effective (Teff ), et 0.1 dex en gravité de surface log g et en métallicité ([M/H]). Nous montrons également que les spectres synthétiques calculés à partir des modèles d'atmosphères MARCS peuvent être utilisés pour estimer l'abondance des éléments alpha, et nous déterminons les paramètres atmosphériques de 44 naines rouges observées dans le cadre du SPIRou Legacy Survey (SLS). Enfin, nous nous concentrons sur les étoiles magnétiques et présentons ZeeTurbo, notre nouveau code basé sur Turbospectrum, auquel nous avons ajouté la résolution de l'équation de transfert radiatif polarisé pour inclure l'effet des champs magnétiques sur les spectres dans nos modèles. Avec ce nouveau code, nous estimons l'intensité moyenne du champ magnétique en plus des paramètres atmosphériques de plusieurs étoiles observées dans le cadre du SLS. Nos résultats et les outils développés guideront de futurs projets visant à caractériser les étoiles M, à estimer les abondances des éléments dans ces étoiles, et à étudier les champs magnétiques, en tirant parti des observations réalisées dans le cadre du SLS, et de son successeur SPICE.

Over the last decades, M dwarfs have attracted increasing attention and were identified as targets of choice for the hunt of exoplanets located in the habitable zone of their host star, and for the study of magnetic fields in cool stars. Nonetheless, their study still represents a great technical and scientific challenge because of the intrinsic faintness of these stars. This thesis is dedicated to the study of M dwarfs, and in particular to their characterization from high-resolution and high signal-to-noise ratio near-infrared spectra acquired with the spectro-polarimeter SPIRou installed at the Canada-France- Hawaï Telescope. We use state-of-the-art synthetic spectra to constrain the atmospheric parameters of M dwarfs, taking advantage of the large wavelength coverage of SPIRou. We show how the different models and line lists considered can lead to significant discrepancies in the estimation of atmospheric parameters. With our process we are able to constrain such parameters with a precision of about 30 K in effective temperature (Teff), and 0.1 dex in surface gravity (log g) and metallicity ([M/H]). We also illustrate that the synthetic spectra computed from MARCS model atmospheres can be used to constrain the abundance of alpha elements, and we derive estimates of atmospheric parameters for 44 M dwarfs observed in the context of the SPIRou Legacy Survey (SLS). Finally, we turn our focus to magnetic targets, and introduce ZeeTurbo, our new code based on the extensively-used Turbospectrum, to which we added polarized radiative transfer capabilities to include the effect of magnetic fields on spectra in our modeling. With this new code, and an adapted analysis, we constrain the average surface magnetic flux in addition to the atmospheric parameters of several magnetic targets observed in the context of the SLS. Our results and developed tools will guide future projects aimed at characterizing stars, estimating elemental abundances, and constraining magnetic fields, taking advantage of the long lasting observations carried out in the framework of the SLS, and its follow-up SPICE.