Caractérisation des exoplanètes gazeuses géantes avec l’instrument en infrarouge moyen MIRI du JWST

Characterization of giant gas exoplanets with the JWST mid-infrared instrument MIRI

• Auteur / Autrice : Mathilde Mâlin
• Direction : Anthony Boccaletti, Benjamin Charnay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 22/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Meudon, Hauts-de-Seine ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Alain Lecavelier des Étangs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Élodie Choquet, Pierre-Olivier Lagage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Deleuil, David Lafrenière

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Télescope spatial James-Webb

Planètes -- Atmosphères

Exoplanètes

Mots clés libres

Systèmes planétaires

Spectroscopie

Exoplanètes

James Webb Space Telescope

Imagerie haut contraste

James Webb Space Telescope

Exoplanets

Spectroscopy

High contrast imaging

Planetary systems

Résumé

L'étude des atmosphères d'exoplanètes est un enjeu important pour la communauté scientifique actuelle, mais le nouveau télescope spatial, le James Webb Space Telescope (JWST), promet une avancée majeure dans la compréhension des exosystèmes. L’imagerie des exoplanètes reste un réel défi : cela nécessite d’atteindre des très hauts contrastes à de très petites séparations angulaires. Avec la génération actuelle d’instruments sur les télescopes au sol, il est toutefois possible d'imager en infrarouge proche des planètes géantes, jeunes, et donc chaudes, à longues périodes. L'atmosphère de ces planètes peut être caractérisée à partir de leur photométrie, mais aussi grâce à des spectres à basse, voir moyenne résolution. Néanmoins, ces observations sont limitées à l’IR proche. L’instrument en IR moyen MIRI du JWST donne ainsi accès à une nouvelle fenêtre d’observation avec une sensibilité inégalée. À ces longueurs d’onde, le contraste est favorable pour détecter l’émission des exoplanètes jeunes et géantes, et de nombreuses molécules deviennent accessibles. De plus, l’étendue du domaine spectrale est très favorable pour mieux contraindre de nombreuses propriétés des exoplanètes. Deux modes d’observations de MIRI sont pertinents pour la caractérisation des exoplanètes en imagerie : le spectro-imageur à moyenne résolution, le MRS, et les coronographes. Le MRS est un spectromètre à champ intégral couvrant les longueurs d’onde de 5 à 28 microns avec une résolution jusqu’à 3700. Ce mode n’avait pas été développé pour l’imagerie haut contraste. Néanmoins, une méthode récente s’avère prometteuse pour distinguer le signal stellaire du signal planétaire avec ce type d'instruments : le molecular mapping. La première partie de mon travail de thèse se concentre sur les prédictions des performances du MRS pour caractériser des exoplanètes à partir de données simulées. De nombreuses molécules peuvent être détectées selon la température et la luminosité de la cible observée. Nous avons simulé plusieurs systèmes détectés en imagerie afin de préparer des futurs programmes d'observations du JWST et d'explorer la sensibilité de la méthode pour déterminer les paramètres atmosphériques. Une fois le télescope opérationnel, au cours de l’été 2022, des compagnons de masses planétaires ont été observées avec le MRS. L’application du molecular mapping à ces premières données acquise par le JWST valide les performances obtenues avec les simulations, et met en évidence des enjeux de la méthode. La seconde partie de ma thèse présente les observations coronographiques des systèmes planétaires avec MIRI : le système HR 8799 et plus en détail le système HD 95086. Les observations en IR moyen diffèrent des résultats en IR proche, et les méthodes usuelles d’analyse sont adaptées. Ainsi, il est possible de caractériser les atmosphères des planètes géantes en levant des dégénérescences mises en évidence avec les observations en IR proche. Le MRS et les coronographes sont complémentaires et apportent des informations cruciales pour comprendre les phénomènes en jeu dans les atmosphères des planètes jeunes imagées. Cela nous mène à mieux comprendre les mécanismes de formations et d’évolution des systèmes planétaires, et ainsi de notre propre Système Solaire.

The study of exoplanet atmospheres is an important topic for today's scientific community, but the new space telescope, the James Webb Space Telescope (JWST), is expected to provide a major breakthrough in our understanding of exosystems. Imaging exoplanets remains a real challenge, as it requires very high contrast at very small angular separations. However, with the current generation of instruments on ground-based telescopes, it is possible to image young, and therefore hot, long-period giant planets at near-infrared wavelengths. The atmospheres of these planets can be characterized using photometry, as well as low- and medium-resolution spectra. Nevertheless, these observations are limited to the near-IR. JWST's mid-IR instrument MIRI opens up a new observation window with unprecedented sensitivity. At these wavelengths, the contrast is favorable for detecting the emission of young and giant exoplanets, and many molecules become accessible. Moreover, the wide spectral range makes it possible to better constrain many exoplanet properties. Two MIRI observation modes are relevant to exoplanet imaging characterization : the medium-resolution spectro-imager (MRS) and the coronagraphs. The MRS is an integral-field spectrometer covering wavelengths from 5 to 28 microns, with resolution up to 3700. This mode had not been developed for high-contrast imaging, but a recent method is proven to be promising for disentangling stellar from planetary signals with this type of instrument : the molecular mapping. The first part of my thesis focuses on predicting the performance of the MRS to characterize exoplanets using simulated data. Many molecules can be detected, depending on the temperature and brightness of the target observed. We have simulated several systems detected in direct imaging to prepare for future JWST observing programs, and to explore the sensitivity of the method for determining atmospheric parameters. Once the telescope was operational, in the summer of 2022, planetary masses companions have been observed with the MRS. The application of molecular mapping to these first data acquired by JWST validates the performance obtained with simulations, and highlights the challenges of the method. The second part of my thesis presents coronagraphic observations of planetary systems with MIRI : the HR 8799 system and, in more detail, the HD 95086 system. Mid-IR observations differ from near-IR results, and the usual analysis methods are adapted. This enables us to characterize the atmospheres of giant planets by removing the degeneracies revealed by near-IR observations. The MRS and the coronagraphs are complementary and provide crucial information for understanding the phenomena at play in the atmospheres of the young planets imaged. This leads us to a better comprehension of the mechanisms of formation and evolution of planetary systems, and thus of our own Solar System.