Caractérisation de l'activité stellaire des naines M par spectroscopie de haute précision dans l'optique et le proche infrarouge pour la recherche de planètes de faible masse

Characterizing stellar activity of M dwarfs with high-precision spectroscopy in the optical and near-infrared to search for low-mass planets

• Auteur / Autrice : Pia Cortes Zuleta
• Direction : Magali Deleuil, Isabelle Boisse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Astrophysique et cosmologie
• Date : Soutenance le 18/04/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Gry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magali Deleuil, Isabelle Boisse, Suzanne Aigrain, Nadège Meunier, Xavier Bonfils, Pascal Petit, Rodrigo Diáz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Suzanne Aigrain, Nadège Meunier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exoplanètes

Étoiles M

Étoiles naines

Spectroscopie infrarouge

Spectropolarimétrie

Astronomie -- Instruments

Spectroscopie astronomique

Astrophysique

Mots clés libres

Exoplanètes

Etoiles M

Activité stellaire

Optique

Proche infrarouge

M dwarfs

Exoplanets

Stellar activity

Optical

Near-infrared

Résumé

Les naines M sont devenues des cibles privilégiées pour la détection et la caractérisation des exoplanètes. Leur faible masse en fait des cibles idéales pour effectuer des relevés de vitesse radiale (VR) puisque, pour une masse donnée, la force gravitationnelle de la planète sera plus importante que pour les étoiles semblables au Soleil. Cependant, les naines M sont connues pour être des étoiles magnétiquement actives. L'activité stellaire est actuellement l'une des principales limites à la détection des planètes de faible masse, car elle induit des variations quasi-périodiques du VR de l'ordre de quelques mètres par seconde. Cette thèse vise à étudier l'activité stellaire des naines M en utilisant la spectroscopie de haute précision dans les domaines optique et proche infrarouge afin d'améliorer la détection des planètes de faible masse. Dans le domaine du proche infrarouge, j'ai utilisé la spectroscopie de haute précision et la spectropolarimétrie de SPIRou, qui est monté sur le télescope Canada-France-Hawaii. Le calcul de la vitesse radiale des naines M est encore difficile dans le proche infrarouge en raison de la grande quantité de raies telluriques dans leurs spectres. D'une part, j'ai travaillé en étroite collaboration avec l'équipe du système de réduction des données et j'ai effectué plusieurs tests pour mesurer l'impact de la sélection des masques dans le calcul du CCF. D'autre part, j'ai développé des outils informatiques pour obtenir des indicateurs d'activité à partir des spectres SPIRou basés sur la forme du CCF et sur la largeur pseudo-équivalente des lignes spectrales dans le domaine SPIRou. J'ai testé leurs performances sur un échantillon de naines M. Dans le domaine optique, j'ai travaillé avec le spectrographe SOPHIE situé à l'Observatoire de Haute Provence. Une douzaine d'étoiles de type M sont suivies quasi-simultanément avec SOPHIE et SPIRou afin d'améliorer la caractérisation de la variation de l'activité stellaire dans l'optique et le proche infrarouge. J'ai utilisé l'algorithme de template-matching NAIRA pour calculer les vitesses radiales de SOPHIE et les indicateurs d'activité. J'ai dirigé la première publication d'une cible SOPHIE+SPIRou, la naine M Gl 205, sur laquelle j'ai effectué une analyse approfondie du signal d'activité stellaire dans les deux domaines en utilisant la technique du processus gaussien. J'ai analysé les VRs et les indicateurs d'activité de l'échantillon complet SOPHIE+SPIRou pour rechercher des périodicités liées à l'activité stellaire et aux planètes. J'ai identifié deux cibles intéressantes avec des signaux compatibles dans l'optique et le proche infrarouge. Une deuxième publication est en préparation avec une analyse détaillée de l'activité stellaire et un possible signal Keplerienne

M dwarfs have become favorite targets for exoplanet detection and characterization. Their low mass makes them ideal to perform radial velocity (RV) surveys since, for a given planet's mass, the planet's gravitational pull will be greater than for Sun-like stars. However, M dwarfs are known to be magnetically active stars. Stellar activity is currently one of the main limitations to detecting low-mass planets as it induces quasi-periodic RV variations of the order of a few meters per second. This thesis aims to characterize and study the stellar activity of M dwarfs using high-precision spectroscopy in the optical and near-infrared (nIR) domains to improve the detection of low-mass planets. In the near-infrared domain, I used high-precision spectroscopy and spectropolarimetry from SPIRou, which is mounted at the Canada-France-Hawaii telescope. The computation of the precise radial velocity is challenging in the near-infrared due to the high amount of telluric lines in their spectra. On the one hand, I worked closely with the Data Reduction System team and performed several tests to measure the impact of the mask selection in the CCF computation. On the other, I developed computational tools to obtain activity indicators from SPIRou spectra based on the CCF shape and on the pseudo-equivalent width of spectral lines in the SPIRou domain. I tested their performances in a sample of M dwarfs. In the optical domain, I worked with the SOPHIE spectrograph located at the observatoire de Haute Provence. A dozen of SP3 targets are being monitored quasi-simultaneously with SOPHIE and SPIRou to improve the characterization of the stellar activity jitter in the optical and near-infrared. I used the template-matching algorithm NAIRA to compute the SOPHIE RVs and activity indicators of the SP3 targets. I led the first publication of a SOPHIE+SPIRou target, the early M dwarf Gl 205, on which a performed an extensive analysis of the stellar activity signal in both domains using the data-driven technique of Gaussian Process. I analyzed the RVs and activity indicators of the SOPHIE+SPIRou complete sample to look for periodicities related to stellar activity and planets. I identified two interesting targets with compatible signals in the optical and nIR. A second publication is under preparation with the detailed analysis of the stellar activity and one possible Keplerian.