Architectures des systèmes planétaires via l'imagerie d'exoplanètes et de disques avec SPHERE au Very Large Telescope

Architectures of planetary systems via imaging of exoplanets and disks with SPHERE at the Very Large Telescope

• Auteur / Autrice : Célia Desgrange
• Direction : Gaël Chauvin
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astrophysique et Milieux Dilués
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 23/09/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Planetologie et d’Astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Jean-louis Monin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christine Chen, Pierre Kervella, Sasha Hinkley, François Menard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christine Chen, Pierre Kervella

Mots clés

Mots clés libres

Optique adaptative

Exoplanètes

Architectures planétaires

Disques circumstellaires

Spectro-imagerie à haut contraste

Disques de débris

Spectro-imager for high-contrast

Planetary system architectures

Circumstellar disks

Adaptive optics

Exoplanets

Debris disks

Résumé

The direct imaging technique is the only viable method to complete our view of the planetary system architectures and to set constraints on giant planet formation scenarios at large (>5 au) separations. Direct imaging can currently detect the near- and mid-infrared emission of young self-luminous giant planets and resolve the material left over from planet formation processes, i.e., the debris disks. Those disks consist of small particles resulting from collisional cascades among planetesimals. During my Ph.D., I focused my research on the architectures of planetary systems from an observational perspective. I used mainly the ground-based instrument SPHERE, which has now been in operation at the VLT for more than 10 years, demonstrating a high level of performance and stability. SPHERE has produced outstanding results in a variety of scientific areas, but primarily in the field of direct imaging of exoplanetary systems, including the discovery of new exoplanets and planet-forming or debris disks. In particular, I worked on a detailed study of two specific, young systems, and also on a survey of a larger, older sample to get a statistical view of planetary system architectures. These results give constraints on theoretical models of planet formation and evolution, from grain-size to planet-size scales. The two individual studies focused on debris disk systems, HD 120326 and HD 95086. The first one has an enigmatic, complex debris disk, with both small (<100 au) and large (<1000au) structures, and no detected planet yet. The second one can be considered as a massive solar system analog, with a 4-5 Jupiter-mass planet lying in the cavity between two belts. In both systems, yet unseen planets are expected to sculpt the disk structures, and are prime targets for the ELT, which could detect them. In HD 120326, I focused on constraining the global morphology of the disk, by coupling SPHERE, HST and ALMA data, and on the dust properties, such as their scattering phase function, reflectance and degree of linear polarisation. In HD 95086, I led an in-depth SPHERE direct-imaging and spectroscopic characterization of the gas giant planet b. This planet is under-luminous and has a red color, and I showed with my collaborators that the presence of dust around it could be either located in the upper layers of the atmosphere, or in a circumplanetary disk around it. Finally, I worked on a SPHERE survey of very nearby (<20 pc) super-Earth and mini-Neptune hosts. The goal was to constrain the presence of giant planets in those systems, to better understand the formation of close-in low-mass planets. This project helped to understand the current detection limits of extreme adaptive optics systems in terms of planetary mass and separation for mature systems (> 500 Myr). It also helped to investigate the benefits of coupling direct imaging with radial velocity and astrometric measurements with Gaia. As for perspectives, an important upgrade of the SPHERE instrument, named SPHERE+, is currently under development. The validated SPHERE+ upgrade corresponds to the upgrade of its extreme adaptive optics system, by adding a second stage. This will be a technology demonstration for the second-generation spectro-imager on the ELT, named PCS, that aims to image exo-Earths. I contributed regarding the definition of future scientific cases of SPHERE+, by working on the future performance of a new, putative medium-resolution spectrograph, which would take advantage of the improved performances of the upgraded adaptive optics system.

La technique d'imagerie directe est la seule méthode de détection viable pour sonder les parties externes des systèmes planétaires et ainsi, contraindre les scénarios de formation des planètes géantes situées loin de leur étoile (> 5 ua). À l'heure actuelle, l'imagerie directe permet de détecter l'émission dans l'infrarouge proche et moyen de jeunes planètes géantes, et de résoudre les restes des processus de formation planétaire, c'est-à-dire, les disques de débris. De ces disques, on détecte la poussière, qui résulte de cascades collisionnelles entre les planétésimaux. Ma thèse a porté sur les architectures des systèmes planétaires d'un point de vue observationnel. J'ai principalement utilisé l'instrument SPHERE, qui est situé au VLT depuis plus de 10 ans, et qui a fait preuve d'un haut niveau de performance et de stabilité. SPHERE a produit des résultats remarquables dans une variété de domaines scientifiques, et principalement dans le domaine de l'imagerie directe des systèmes exoplanétaires, y compris la découverte de nouvelles exoplanètes et de disques protoplanétaires ou de débris. En particulier, j'ai mené des études détaillées sur deux systèmes, et une étude sur un échantillon plus large, afin d'obtenir une vision statistique des architectures des systèmes planétaires. Ces résultats apportent des contraintes aux modèles théoriques de formation et d'évolution planétaires, de l'échelle du grain de poussière à celle d'une planète. Les deux études individuelles ont porté sur des disques de débris, HD 120326 et HD 95086. Le premier possède un disque de débris complexe et énigmatique, avec des structures petites (<100 ua) et grandes (<1000 ua), et dans lequel aucune planète n'a encore été détectée. Le second système peut être considéré comme un analogue du système solaire, en plus massif, avec une planète de 4 à 5 fois la masse de Jupiter. Cette planète est située dans la cavité entre les deux ceintures de poussières. Dans les deux systèmes, des planètes encore invisibles sont attendues, ce sont donc des cibles de choix pour l'ELT, qui pourrait les détecter. Concernant HD 120326, j'ai contraint la morphologie globale du disque, en couplant des données SPHERE, HST et ALMA, et les propriétés des poussières, telles que leur fonction de phase de diffusion, leur réflectance et leur degré de polarisation linéaire. Pour HD 95086, j'ai caractérisé l'orbite et l'atmosphère de la planète géante gazeuse b avec des données SPHERE. Cette planète est peu lumineuse et a une couleur rouge, due à la présence de poussières autour de la planète. J'ai montré, avec mes collaborateurs, que ces poussières pourraient être situées dans un disque circumplanétaire. Enfin, j'ai travaillé sur un relevé SPHERE d'étoiles ayant des super-Terres et des mini-Neptunes situées proche de leur étoile. J'ai contraint la présence de planètes géantes dans ces systèmes, afin de mieux comprendre la formation de planètes de faible masse à proximité. Ce projet a permis de comprendre les limites de détection actuelles de SPHERE pour des systèmes âgés (>500 Ma). Il a également permis d'étudier les avantages de coupler l'imagerie directe avec les mesures de vitesse radiale et d'astrométrie. En ce qui concerne les perspectives, une amélioration importante de l'instrument SPHERE, appelée SPHERE+, est en cours. La mise à niveau SPHERE+ qui a été approuvée par l’Observatoire Austral Européen (ESO), correspond à l'amélioration de son système d'optique adaptative extrême, en y ajoutant un second étage. Il s'agira d'une démonstration technologique pour le spectro-imageur de deuxième génération de l'ELT, appelé PCS, qui a pour but de photographier des exo-Terres. Durant ma thèse, j'ai contribué à la définition des futurs cas scientifiques de SPHERE+, en étudiant les performances d'un nouveau, potentiel spectrographe à moyenne résolution, qui tirerait parti des meilleures performances atteintes par l'amélioration du système d'optique adaptative.