Vers une modélisation globale de la spectroscopie de transit pour une meilleure caractérisation des atmosphères d'exoplanètes autour d'étoiles jeunes et de la séquence principale

Towards a global modelling of transit spectroscopy for a better characterisation of exoplanet atmospheres in young and main-sequence stars

• Auteur / Autrice : William Dethier
• Direction : Jérôme Bouvier, Vincent Bourrier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilués
• Date : Soutenance le 17/11/2023
• 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 (Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Delfosse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Boisse, Christophe Lovis
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maria Rosa Zapatero Osorio, Nuno C. Santos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Disques protoplanétaires

Hélium

Sodium

Planètes -- Atmosphères

Exploration des planètes

Exoplanètes

Formation stellaire

Spectroscopie d'absorption

Passages (astronomie)

Mots clés libres

Planètes

Transits

Etoiles jeunes

Modélisation

Atmosphérique

Evaporation

Planets

Transits

Young stars

Modelling

Atmospheric

Evaporation

Résumé

La spectroscopie de transit a permis des progrès remarquables dans la compréhension et la caractérisation des atmosphères exoplanétaires. L’analyse de leur spectre d’absorption est l’un des principaux diagnostics permettant d’étudier leurs propriétés et qui nous permet d’obtenir des informations précieuses pour notre compréhension de l’évolution de ces planètes. Cependant, il a été récemment mis en évidence qu’il n’est pas simple d’identifier de manière fidèle les signatures d’absorption d’une atmosphère dans les spectres d’absorption. En effet, la variation du spectre stellaire sur la surface stellaire apparente (par exemple, la rotation stellaire et les variations centre- bord) introduit des signatures spectrales résiduelles dans le spectre d’absorption qui s’apparentent à celles d’une atmosphère. Ces contaminations stellaires peuvent potentiellement induire des erreurs d’interprétation des observations de transit et compromettre la qualité des propriétés atmosphériques qui en sont déduites.Dans cette thèse, j’examine en détail ces contaminations stellaires, leur origine, leur comportement et, en particulier, leur impact sur les signatures d’absorption atmosphérique. Pour cela, j’ai utilisé et développé une approche globale avec le code EVaporating Exoplanets (EVE), qui consiste à modéliser de manière autocohérente la délicate interaction entre la planète en transit, son atmosphère et le spectre stellaire qu’elles absorbent. À titre d’exemple, je me concentre sur deux espèces couramment étudiées par la communauté, à savoir le sodium et l’hélium. Ils sont tous deux des traceurs de couches complémentaires des atmosphères planétaires; l’hélium, en particulier, est un traceur de l’échappement atmosphérique, phénomène important dans l’étude de l’évolution planétaire.Tout au long de la thèse, je démontre la pertinence, la flexibilité et la nécessité d’une telle approche globale, dans laquelle l’étoile, la planète, son atmosphère, leur environnement et l’observateur ont une importance égale. Je le fais en obtenant de nouveaux résultats et interprétations sur l’atmosphère de deux exoplanètes bien connues et d’un intérêt particulier, HD 209458 b et MASCARA-1 b, mais aussi via des applications à d’hypothétiques planètes en transit autour d’étoiles jeunes enfouies dans leur disque protoplanétaire.Ce travail de thèse établit des bases solides pour améliorer et faciliter les futures caractérisations atmosphériques des exoplanètes et, finalement, notre connaissance et notre compréhension de l’abondance de mondes qui nous entourent.

Transit spectroscopy has led to outstanding progress in understanding and characterising the atmosphere of exoplanets. Analysing their absorption spectrum is one of the main diagnostics to study their properties and has provided valuable insights for our comprehension of planetary evolution. However, it has been recently highlighted that faithfully identifying absorption signatures of an atmosphere in absorption spectra is not straightforward. Indeed, the variation of the stellar spectrum over the apparent stellar surface (e.g. stellar rotation and centre-to-limb variations) introduces residual spectral features in the absorption spectrum akin to the signature of an atmosphere. These stellar contaminations can potentially mislead the interpretations of transit observations and jeopardise the quality of the derived atmospheric properties.In this thesis, I examine in detail these stellar contaminations, their origin, their behaviour, and, in particular, their impact on atmospheric absorption signatures. To this end, I used and developed a global approach with EVaporating Exoplanets (EVE) code, which consists in modelling self-consistently the delicate interplay between the transiting planet, its atmosphere and the stellar spectrum they absorb.As examples, I focus on two species that are commonly studied by the community, namely, sodium and helium. They are both tracers of complementary layers of planetary atmospheres; helium, in particular, being a tracer of atmospheric escape, relevant for planetary evolution.Throughout the whole thesis, I demonstrate the relevance, flexibility and necessity of such a global approach, one in which the star, the planet and its atmosphere, their environment and the observer have equal importance. I do so by deriving novel results and interpretations about the atmosphere of two well-known exoplanets of particular interest, HD 209458 b and MASCARA-1 b, but also via applications to hypothetical transiting planets in young stars embedded in protoplanetary discs.This thesis work establishes solid bases for improving and facilitating future exoplane- tary atmospheric characterisations and, ultimately, our knowledge and understanding of the plethora of worlds that surround us.