Observations et modélisations de l’atmosphère des exoplanètes : de la haute atmosphère des Jupiter-chauds à la surface des planètes terrestres tempérées, étude de la transition des Super-Terre aux Sub-Neptune avec un relevé Hubble

Observations and modelling of exoplanet atmospheres : from the top of hot-Jupiters to the bottom of temperate terrestrial planets, investigating the transition from Super-Earth to Sub-Neptune with a Hubble survey

• Auteur / Autrice : Amélie Gressier
• Direction : Emmanuel Marcq, Jean-Philippe Beaulieu, Benjamin Charnay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Atmosphères, observations spatiales (Guyancourt, Yvelines ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Brogniez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Néstor Espinoza, Michaël Gillon, Claire Moutou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Néstor Espinoza, Michaël Gillon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Photométrie

Télescope spatial Hubble

Transfert radiatif

Planètes -- Atmosphères

Exoplanètes

Mots clés libres

Processus atmosphériques

Modélisation numérique

Planétologie générale

Transfert de rayonnement

Exoplanètes

Numerical modeling

Exoplanets

Planetary Science

Radiative transfer

Atmospheric processes

Résumé

En août 2022, the JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team a révélé la détection de dioxyde de carbone dans l'atmosphère de la géante gazeuse WASP-39 b, démontrant les capacités exceptionnelles du Télescope spatial James Webb (JWST) dans la caractérisation de l'atmosphère des planètes extra-solaires. Alors que de nombreuses nouvelles données seront disponibles dans les années à venir, cette thèse propose d'utiliser les observations du télescope spatial Hubble (HST) en spectroscopie de transit dans le but de mieux préparer les futures analyses mais aussi de passer de l'étude d'une seule cible à l'étude statistique d'une population de planètes. Dans un premier temps, nous analysons la haute atmosphère des Jupiters-chauds avec les observations HST dans le proche ultra-violet (NUV). Nous présentons un outil pour corriger et ajuster les courbes de lumière en transits observés avec le Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS). Nous confirmons l'évaporation de l'atmosphère de WASP-121 b et présentons de nouvelles observations de WASP-79 b. L'analyse de deux transits de cette planète montre une augmentation du rayon de la planète entre la mesure optique et NUV de 4.5sigma. Nous étudions, ensuite, les couches plus profondes de l'atmosphère de planètes plus petites avec les observations en proche infrarouge du Wide Field Camera 3 (WFC3). Les Sub-Neptunes ont une taille entre celle de la Terre et de Neptune (1-4REarth) et sont le type de planètes le plus commun dans notre Galaxie. Malgré leur omniprésence, elles n'ont pas d'équivalent dans notre système solaire et restent difficiles à caractériser. Leur distribution en taille et nombre, est bimodale, avec une diminution dans le nombre de planètes autour de 1.7REarth. Les planètes d'un rayon inférieur à 1.7REarth sont supposées rocheuses et sont appelées Super-Terre, tandis que les planètes au-dessus de ce seuil sont très probablement gazeuses et communément appelées Sub-Neptunes. Vingt-six spectres en transmission sont analysés de manière cohérente avec un code d'analyse Bayésienne, Tau-REX 3 afin d'explorer la transition entre Super-Terre et Sub-Neptune. Nous confirmons la présence d'une atmosphère pour 13 planètes dont le rayon est supérieur à 1.7REarth, la limite fixée pour distinguer les planètes rocheuses des planètes gazeuses. Nous fournissons le premier relevé des détections moléculaires pour les Super-Terre et les Sous-Neptunes en utilisant HST/WFC3 G141 (1.1-1.65 microns)et confirmons la détection d'eau pour neuf planètes. Cependant, de nombreuses dégénérescences subsistent dans l'analyse de ces spectres et il reste difficile de différencier une atmosphère primaire nuageuse d'une atmosphère de type terrestre et l'absorption de l'eau et du méthane autour de 1.4microns. Suite à ce résultat, nous concentrons notre modélisation sur deux points: l'impact de la sédimentation des nuages sur le spectre en transmission et la nature des espèces carbonées en utilisant Exo-REM, un modèle radiatif-convectif. Nous présentons des simulations 1D et 2D d'atmosphères chaudes de Sub-Neptune et construisons une grille de modèles en température et en métallicité. Nous affinons la nature des nuages dans l'atmosphère de Sub-Neptunes et leur impact sur la taille de la signature spectrale de l'eau. En modélisant les atmosphères chaudes de Sub-Neptunes, nous mettons en évidence les divergences entre la non-détection du méthane et sa prédiction. Nous proposons et comparons les stratégies d'observation JWST et ARIEL pour résoudre les dégénérescences et en particulier, différencier l'absorption de l'eau de celle du méthane dans les spectres en transmission. Les Sub-Neptunes tempérées à chaudes, avec une atmosphère étendue orbitant autour d'étoiles brillantes proches, sont d'excellentes cibles pour la spectroscopie de transmission avec le JWST combinant NIRISS et NIRSpec.

In August 2022, the JWST Transiting Exoplanet Community Early Release Science Team revealed the carbon dioxide detection in the atmosphere of the gas giant WASP-39 b, proving the outstanding capabilities of the James Webb Space Telescope. As we explore this new range of possibilities with JWST, this thesis uses Hubble observations in transit spectroscopy and focuses on developing methods to move from the study of a single dataset to the statistical study of a population of planets. First, we analyse the upper atmosphere of Hot-Jupiters using Hubble observations in the near ultra-violet (NUV). To this end, we have developed a tool to correct and fit transits light curves observed with the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS). We confirm the evaporation of WASP-121 b's atmosphere and present an unprecedent analysis of WASP-79 b data. The analysis of the two transiting observations of this planet led to a 4.5-sigma difference in the planet-to-star radius ratio between optical and NUV. We then study Sub-Neptune and Earth-like planets and focus on the deeper regions of the atmosphere using Hubble near-infrared observations. Sub-Neptunes, exoplanets with a size between Earth and Neptune (1-4REarth) are the most common type of planets in our Galaxy. Despite their ubiquitous nature, they have no equivalent in our solar system and remain challenging to characterise today. Their distribution (or occurrence rate) forms a bimodal, with a noticeable gap in the number of planets around 1.7REarth, suggesting that dominant planetary formation or evolution processes shape the nature of this population. Planets with a radius below 1.7REarth are believed to be primarily rocky and are often referred to as Super-Earths, while planets above this threshold are most likely gaseous and commonly named Sub-Neptunes. In this work, we have used the available near-infrared data from the Hubble Space Telescope and collected 26 transmission spectra of planets smaller than 6REarth. We investigated this transition region between rocky and gaseous planets by analysing this data with the Bayesian Retrieval Framework, TauREx-3.0. We have tested six atmospheric retrieval scenarios, assuming various primary to secondary atmospheres, and compared the results of those retrievals via the Bayesian Evidence. With this analysis, we confirmed, with high confidence, the detection of an atmosphere for 13 planets with a radius larger than 1.7REarth, the limit set to distinguish between rocky and gaseous planets. We provided the first summary of molecular detections for Super-Earth and Sub-Neptunes using HST/WFC3 G141 and confirmed water detection for nine planets. However, there are degeneracies in the atmospheric analysis, and we can not distinguish yet between a primary cloudy and an Earth-like atmosphere. It is also still unclear whether water or methane should dominate the spectrum around 1.4 microns in the HST WFC3 G141 wavelength range (1.1-1.65 microns) for cool planets. Following this result, we focus our modelling on two points: the impact of cloud sedimentation on the transmission spectrum and the nature of carbon-bearing species using a self-consistent radiative-convective model Exo-REM. We present 1D and 2D simulations of warm Sub-Neptune atmospheres and build a grid of models in temperature and metallicity. By modelling warm Sub-Neptunes atmospheres, we highlight the discrepancies between the non-detection of methane and its prediction. We also refined the nature of clouds in Sub-Neptunes's atmosphere and their impact on the size of the water features. We propose and compare JWST and ARIEL observational strategies to resolve degeneracies observed with HST and refine molecular detections. Temperate to warm Sub-Neptunes, with an extended atmosphere orbiting nearby bright stars, are excellent targets for transmission spectroscopy with the JWST combining NIRISS and NIRSpec.