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Exploration de la diversité physique des exoplanètes et des naines brunes par la spectroscopie infrarouge à très haute résolution spectrale au VLT et à l'ELT

par Adrien Simonnin

Projet de thèse en Doctorat sciences de la planete et de l'univers

Sous la direction de Gaël Chauvin et de Mamadou N'diaye.

Thèses en préparation à l'Université Côte d'Azur , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , en partenariat avec Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes) (laboratoire) depuis le 01-10-2022 .


  • Résumé

    L'ère de la caractérisation des exoplanètes a déjà commencé il y a deux décennies avec la caractérisation atmosphérique des Jupiters chauds et fortement irradiés à l'aide d'observations de transit (en transmission et en émission). De telles observations ont été rapportées pour plus de 30 exoplanètes à ce jour, y compris des Jupiters chauds anciens (0,5-10 Gyr), des Neptunes chaudes, et même des super-Terres. Dans la perspective du projet européen ELT (Extremely Large Telescope, https://elt.eso.org), l'un des objectifs ultimes est de caractériser l'atmosphère des planètes terrestres tempérées et de détecter les premières biosignatures. La combinaison des techniques HDS et HCI offre une approche très prometteuse. Cette synergie de techniques est actuellement prévue pour divers instruments comme HARMONI, METIS, ANDES et PCS. Ces installations mettront en œuvre différents niveaux de spécifications instrumentales qui ne répondent pas toujours à toutes les exigences en matière d'imagerie et de caractérisation des planètes terrestres. Dans le cadre d'un doctorat à l'Université Côte d'Azur, nous proposons un projet qui peut être décliné en deux axes stratégiques de recherche : 1/ L'exploration des propriétés physiques (atmosphériques et orbitales) des exoplanètes et des naines brunes à haute résolution spectrale. Le doctorant dirigera l'analyse des programmes d'observation dédiés à l'étude des Jupiters chauds ou/et des jeunes Jupiters massifs en utilisant la technique de cartographie moléculaire appliquée aux spectres à haute résolution. Ce travail permettra d'explorer la physique de l'atmosphère des exoplanètes géantes (composition, signes d'accrétion, structure et circulation atmosphérique), ainsi que les vitesses radiales et rotationnelles des exoplanètes en lien avec l'obliquité de la planète, la période orbitale et rotationnelle, et plus généralement en lien avec l'histoire de la formation et l'évolution dynamique. 2/ L'étude des performances de détection et de caractérisation de SCAO-IFU, le futur mode spectro-imageur d'ANDES (https://elt.eso.org/instrument/ANDES/) à l'ELT qui combinera les deux techniques innovantes de HCI et HDS. Notre objectif sera d'explorer en particulier les performances de détection du mode HCI pour ANDES, y compris la nécessité éventuelle d'un mode coronographique, de déterminer le rendement des exoplanètes qui seront détectées dans la lumière émise et potentiellement réfléchie, et d'étudier les performances de caractérisation en termes de détection des signatures atomiques et moléculaires liées aux caractéristiques de l'atmosphère des exoplanètes. Le doctorant travaillera au Laboratoire J.L. Lagrange de l'Observatoire de la Côte d'Azur avec G. Chauvin, M. N'Diaye et A. Chivassa, en collaboration avec l'équipe ANDES de Lagrange.

  • Titre traduit

    Exploring the physical diversity of exoplanets and brown dwarfs through infrared high-resolution spectroscopy at VLT and ELT


  • Résumé

    The era of the characterization of exoplanets has already started two decades ago with the atmospheric characterization of hot and strongly irradiated Hot Jupiters using transit observations (in transmission and emission). Such observations have been reported for over 30 exoplanets to date, including old (0.5-10 Gyr) hot Jupiters, hot Neptunes, and even super-Earths. In the perspective of the European Extremely Large Telescope (ELT) https://elt.eso.org, one of the ultimate goals is to characterize the atmosphere of temperate terrestrial planets and to detect the first biosignatures. The combination of HDS with HCI techniques offers a very promising approach. This synergy of techniques is currently foreseen for various instruments like HARMONI, METIS, ANDES and PCS. These facilities will implement different levels of instrumental specifications that are not always matching all the requirements to image and characterize terrestrial planets. In the context of a Ph.D. at Université Côte d'Azur, we propose a project that can be declined into two strategic lines of research: 1/ The exploration of the physical (atmospheric and orbital) properties of exoplanets and brown dwarfs at high-spectral resolution. The PhD student will lead the analysis of observing programs dedicated to the study of hot Jupiters or/and young massive Jupiters using the molecular mapping technique applied to high-resolution spectra. This work will enable us to explore the physics of the atmosphere of giant exoplanets (composition, signs of accretion, atmospheric structure and circulation), as well as the radial and rotational velocities of the exoplanets connected to the planet obliquity, orbital and rotational period, and more generally in connection with the history of formation and dynamical evolution. 2/ The study of the detection and characterization performance of SCAO-IFU, the future spectro-imager mode of ANDES (https://elt.eso.org/instrument/ANDES/) at the ELT that will combine both innovative techniques of HCI and HDS. Our goal will be to particularly explore for ANDES detection performance of the HCI mode including the possible requirement for a coronagraphic mode, to determine the yield of exoplanets that will be detected in emitted and potentially reflected light, and to study the characterization performance in terms of detection of atomic and molecular signatures connected to the exoplanet atmosphere characteristics. The PhD student will work at the J.L. Lagrange Laboratory of Côte d'Azur Observatory with G. Chauvin, M. N'Diaye and A. Chivassa, in collaboration with the ANDES team at Lagrange.