Les phénomènes éruptifs du Soleil sont souvent accompagnés par l'accélération de particules chargées qui peuvent avoir des impacts significatifs sur la Terre. Toutefois, le mécanisme responsable de ces phénomènes n'est pas suffisamment bien compris pour qu’on puisse en prédire l'occurence. Les satellites et les observatoires terrestres sondent la photosphère, la chromosphère et la couronne du Soleil et sont essentiels pour l'étude de l'activité solaire. Les simulations numériques tentent de faire le pont entre la physique décrivant l'intérieur de l'étoile et de telles observations. La prochaine étape pour des simulations réalistes serait la prévision à court terme des structures à la surface du Soleil. Les travaux présentés dans cette thèse explorent comment des notions empruntées de la météorologie (e.g., l'assimilation des données) et de l'intelligence artificielle (e.g., les réseaux de neurones) pourraient être utilisées pour la prédiction à court terme de l'activité solaire dans le contexte de la météorologie spatiale. En particulier, nous présentons notre implémentation de l'assimilation des données dans un modèle magnétohydrodynamique (MHD) radiatif du Soleil calme (i.e., en l'absence d'activité magnétique) afin de prédire l'évolution de la granulation solaire durant une courte période de temps. Toutefois, ce ne sont pas toutes les variables du modèle qui peuvent être observées ou mesurées à l'aide d'instruments. Par exemple, les mesures directes des mouvements du plasma à la surface du Soleil sont limitées à la composante le long de la ligne de visée. Plusieurs algorithmes ont donc été développés afin de reconstruire la composante transverse à partir de mesures de l'intensité de la lumière ou du champ magnétique. Nous comparons les champs de vitesse inférés par différentes méthodes, dont un réseau de neurones, afin d'identifier la méthode la mieux adaptée pour générer des observations synthétiques dans une chaîne de réduction des données qui pourraient ensuite être introduites dans notre système pour l'assimilation des données. / Eruptive events of the Sun, which often occur in the context of flares, convert large amounts of magnetic energy into emission and particle acceleration that can have significant impacts on Earth's environment. However, the mechanism responsible for such phenomena is not sufficiently well understood to be able to predict their occurrence. Satellites and ground-based observatories probe the Sun's photosphere, chromosphere and corona and are key in studying solar activity. Numerical models have attempted to bridge the gap between the physics of the solar interior and such observations. The next step for realistic simulations would be to forecast the short term evolution of the Sun's photosphere. The following work explores how notions borrowed from meteorology (e.g., data assimilation) and artificial intelligence (e.g., neural networks) could be used to forecast short term solar activity for space-weather modelling purposes. More specifically, we present an implementation of data assimilation in a radiative MHD model of the Quiet Sun (i.e., in the absence of significant magnetic activity) to forecast its evolution over a short period of time. However, not all model variables are directly observable. For example, direct measurements of plasma motions at the photosphere are limited to the line-of-sight component. Multiple algorithms were consequently developed to reconstruct the transverse component from observed continuum images or magnetograms. We compare velocity fields inferred by different methods, including a neural network, to identify the method best suited to generate instantaneous synthetic observations in a data reduction pipeline that would included in our data assimilation framework.

No description available.

No description available.

L’émergence de la complexité, et de la vie en particulier, demeure l’une des énigmes les plus complexes pour la science moderne. Des travaux récents ont souligné la pertinence d’un apport de la physique statistique et de la théorie des phénomènes critiques — et en particulier de la théorie des phénomènes à criticalité auto-régulée — relativement à ces champs d’intérêt, tout autant que du rôle des phénomènes de coopération biochimique dans les premiers instants du vivant. La description des mécanismes par lesquels la vie a pu apparaître est par ailleurs d’un intérêt pratique pour l’astrophysique, puisque notre compréhension de ceux-ci module la manière dont l’analyse de biosignatures s’effectue dans le cadre de la recherche de la vie ailleurs dans l’Univers. L’analyse proposée ici porte sur un modèle en théorie des jeux permettant d’étudier les phénomènes de coopération implémenté dans un contexte spatial servant à émuler la dynamique d’un système ayant pu voir apparaître la vie. Une analyse de l’espace des paramètres du modèle révèle que celui-ci affiche des phénomènes de transition de phase et d’auto-organisation de structures spatiales, ces éléments se révélant des adjuvants à l’émergence de la coopération entre joueurs a priori égoïstes, dans un contexte qui à prime abord n’est pas d’emblée favorable à l’apparition de comportements coopératifs. Les résultats obtenus ici semblent supporter que la coopération biochimique puisse apparaître via un phénomène de transition de phase et que le modèle sous-jacent de dilemme du prisonnier itéré sur réseau présenté ici agit comme un système à criticalité autorégulée. / The emergence of complexity, and of life more specifically, is still one of the most intractable conundrums for modern science. Recent work emphasized the relevance of statistical physics and critical phenomena theory’s contribution to those questions — especially of self-organized criticality theory — just as much as the role of biochemical cooperation in life’s first moments. Moreover, the description of the mechanisms by which life could have appeared is of particular interest for astrophysics, because our comprehension of those mechanisms influences how biosignatures are analyzed in the context of the search for life elsewhere in the Universe. The analysis presented here concerns a model in game theory that allows to study cooperation phenomena — implemented in spatial context as to emulate the dynamics of a system in which life could have appeared. An analysis of the model’s parameter space reveals that it displays phase transition and self-organization of spatial structures phenomenon, those elements being adjuvants to the emergence of cooperation between a priori egoist players, in a context that is initially not favorable to the emergence of cooperative behavior. The results obtained here thus seem to support the idea that both biochemical cooperation can emerge through phase transition phenomena, and that the underlying lattice iterated prisoner’s dilemma model used here behaves like a self-organized critical system.

Ce mémoire porte sur l'étude des étoiles naines blanches de type DB, dont le spectre est dominé par les raies d’hélium neutre. Des travaux récents ont révélé que les paramètres physiques mesurés à l'aide de la méthode dite spectroscopique —notamment la température effective et la masse de l'étoile — posaient problème pour ce type de naine blanche. Nous avons dans cette étude réexaminé un des ingrédients essentiels de cette méthode, soit le calcul de profils d'élargissement Stark des raies d'hélium neutre. Ce problème fut abordé il y a 25 ans par notre groupe de recherche en utilisant la théorie standard de l'élargissement Stark. Les profils semi-analytiques calculés dans le cadre de cette théorie considèrent les électrons comme étant dynamiques et les ions statiques. Avec l'amélioration de la puissance numérique des ordinateurs, d’autres groupes de recherche ont grandement amélioré le traitement de l'élargissement Stark en produisant des simulations numériques décrivant en détail la dynamique et les interactions des perturbateurs (ions et électrons) près de l'émetteur (l'atome d'hélium dans notre cas). Ils n'ont cependant généré de tables de profils Stark, applicables au calcul de spectres synthétiques d'étoiles naines blanches, que pour deux raies de l'atome d'hélium. Dans ce mémoire, nous décrivons la conception de notre propre environnement de simulation incluant certains aspects importants considérés dans les travaux précédents (unification du traitement des ions et électrons, correction pour la dynamique des ions, transition de la contribution des électrons à l'élargissement, du coeur aux ailes du profil, intégration numérique de l'opérateur quantique d'évolution temporelle de l'hélium perturbé par un champ électrique fluctuant, correction de Debye pour la corrélation du mouvement des perturbateurs chargés, variation de densité locale et réinjection de particules) afin de mieux représenter l'environnement dynamique de l'atome d'hélium. Des étapes intermédiaires, comme la construction de l'espace de simulation et le modèle quasi-statique, nous ont permis de valider cet espace de simulation ainsi que le respect de la statistique du système. Une fois ces étapes de validation franchies, nous avons produit des grilles de profils Stark pour les deux raies les plus importantes de l'atome d'hélium dans le domaine du visible, soit He ɪ λ4471 et He ɪ λ4922, pour des températures entre 10,000 K et 40,000 K et des densités électroniques entre 1 × 10¹⁴ cm⁻³ et 6 × 10¹⁷ cm⁻³. Une comparaison avec d'autres résultats publiés démontre que nos calculs rivalisent avec les meilleurs profils obtenus dans le domaine des simulations numériques de l'élargissement Stark. L'élaboration de cet outil ouvre la voie à la création d'une nouvelle génération de modèles d'atmosphères de naines blanches qui nous permettra de raffiner l'analyse spectroscopique de ces objets. / This thesis deals with the study of white dwarf stars of the DB type, whose spectrum is dominated by neutral helium lines. Recent work has revealed that physical parameters — namely the effective temperature and the stellar mass — measured using the so-called spectroscopic technique are problematic for this type of white dwarf. In this study, we re-examine one of the essential ingredients of this method, namely the calculation of Stark broadening profiles of neutral helium lines. This problem was addressed 25 years ago by our research group using the standard Stark broadening theory. Semi-analytical profiles calculated under this theory consider electrons as dynamic and ions as static. With the improvement of computer numerical power, other research groups have significantly improved the treatment of Stark brodening by producing numerical simulations describing in detail the dynamics and interactions of the perturbers (ions and electrons) near the emitter (the helium atom in our case). However, they generated Stark profile tables, applicable to the computation of synthetic spectra for white dwarf stars, for only two lines of the helium atom. In this thesis, we describe the creation of our own simulation environment including some important aspects considered in previous work (unification of ion and electron treatment, correction for ion dynamics, transition of the electron contribution to broadening from the core to the wings of the profile, numerical integration of the quantum operator of the time evolution of helium perturbed by a fluctuating electric field, Debye correction for the correlation of the motion of charged perturbers, local density variation and particle reinjection) in order to better represent the dynamical environment of the helium atom. Intermediate steps, such as the construction of the simulation space and the quasi-static model, allowed us to validate this simulation space and the respect of the system statistics. Once these validation steps were completed, we produced grids of Stark profiles for the two most important lines of the helium atom in the optical, namely He ɪ λ4471 et He ɪ λ4922, for temperatures between 10,000 K and 40,000 K and electronic densities between 1 × 10¹⁴ cm⁻³ and 6 × 10¹⁷ cm⁻³. A comparison with other published results shows that our calculations rival the best profiles obtained in the field of numerical simulations of Stark broadening. The development of this tool paves the way for the creation of a new generation of white dwarf atmosphere models that will allow us to refine the spectroscopic analysis of these objects.

Dans la recherche d’exoplanètes comme la Terre dans la zone habitable de leur étoile, la vélocimétrie radiale s’est avérée un outil important. Les candidats les plus intéressants pour faire ce genre de mesures sont les naines rouges, car la zone habitable se trouve proche de l’étoile et possède donc une courte période, et de par leurs faibles masses, l’orbite d’une planète comme la Terre induirait un signal de l’ordre de 1 ms^−1. L’effet Doppler résultant de ce mouvement est mesurable par des spectrographes optimisés pour la vélocimétrie de haute précision. Par contre, comme les naines rouges émettent principalement dans l’infrarouge et que l’atmosphère terrestre présente de fortes raies d’absorption dans ces longueurs d’onde, il est alors important de soustraire ces raies pour minimiser le biais de vitesse radiale de l’étoile induit par l’atmosphère. Le but de ce travail de maîtrise fut de développer un algorithme permettant de faire des mesures de vélocimétrie de haute précision dans le domaine infrarouge, de procéder à la quantification de l’impact des raies d’absorption telluriques et de déterminer une cible pour le niveau requis de retrait de ces raies. Une méthode de traitement de données basée sur l’analyse d’un spectre segmenté adéquatement pondéré fut aussi développée pour extraire optimalement la vitesse radiale en présence de raies telluriques résiduelles. On note l’existence d’une corrélation entre l’époque des mesures et l’incertitude de vitesse radiale associée avec les raies telluriques résiduelles ce qui souligne toute l’importance du choix de la fenêtre d’observation pour atteindre une précision de 1 ms^−1. De cette analyse, on conclut qu’un masque de 80% de transmission couplé avec un retrait laissant au maximum 10% des raies telluriques est requis pour atteindre des performances mieux que le ms^−1. / In the search for an exoplanet like Earth in the habitable zone of its star, radial velocimetry has proved itself an important tool. The most promising candidates for this type of measurements are red dwarfs. Since their habitable zone is very close to the star with relatively small orbital periods (a few weeks), and because of their small masses, the presence of an Earth-like planet in their habitable zone would produce a signal of ∼ 1 ms−1. Such a small Doppler effect resulting from this reflex motion is within the capabilities of precision radial velocity instruments. But, since red dwarfs emit mostly in the infrared and Earth’s atmosphere has strong absorption lines in that domain, the removal of telluric absorption lines is crucial to minimize the velocity bias induced by the atmosphere. The goal of this work was the development of an algorithm capable of performing high precision radial velocimetry measurements, to quantify the impact of telluric lines on the measurements and to determine the level of telluric line masking and attenuation needed to minimize their impact on velocity measurements. A data processing method based on the analysis of an adequately weighted segmented spectrum was also developed to optimally extract radial velocities in the presence of residual telluric lines. We note the existence of a correlation between the time of the measurements and the radial velocity uncertainty associated with the residual telluric lines, which underlines the importance of the choice of the observation window to achieve an accuracy of 1 meter per second. From this analysis, it is concluded that a mask of 80% transmission coupled with an attenuation leaving a maximum of 10% of the telluric lines is required to achieve performance better than 1 meter per second.

La découverte d’exoplanètes a connu une croissance quasi exponentielle au cours des trois dernières décennies. Nous savons désormais que les systèmes d’exoplanètes sont la norme dans la galaxie et qu’il existe une variété d’archétypes de planètes qui ne correspondent pas à notre propre système solaire. Ces progrès rapides sont dus en grande partie aux missions spatiales qui utilisent la méthode des transits pour trouver et caractériser de nouvelles exoplanètes. Kepler et, plus récemment, le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) ont contribué à la majorité des exoplanètes confirmées ou candidates connues à ce jour. Les exoplanètes découvertes par TESS sont particulièrement prometteuses, car TESS a délibérément ciblé des étoiles hôtes brillantes pour faciliter l’analyse spectroscopique détaillée de l’atmosphère de leurs planètes. Bien que TESS soit très efficace pour identifier de nouveaux signaux de transit, un effort de suivi substantiel est nécessaire pour valider chaque nouvelle candidate et le succès global de la mission TESS dépend fortement de l’obtention de ce suivi de la part d’observatoires externes. Une attention particulière est souvent requise pour les planètes à longue période qui souffrent fortement des biais impliqués dans les recherches de transit. Si l’on peut surmonter les défis observationnels supplémentaires, ces planètes constituent des bancs d’essai rares et précieux pour étudier la physique et la chimie des atmosphères plus froides. Dans cette thèse, j’ai collaboré avec la communauté de suivi des exoplanètes TESS sur plusieurs fronts en apportant des instruments précédemment inutilisés, en contribuant à l’effort général de vérification des candidates, ainsi qu’en menant des études de validation et de confirmation de cibles difficiles à longue période. Nous avons adapté le réseau de téléobjectifs Dragonfly (alias "Dragonfly"), conçu pour les cibles de faible luminosité de surface, à l’observation des transits d’exoplanètes. J’ai développé un nouveau mode d’observation adapté aux transits et créé des pipelines de planification, de traitement des données et d’analyse. Nous avons atteint une précision photométrique d’environ 0,5 ppt dans des intervalles de 4 à 5 minutes sur la plage 9 < mV < 13, compétitive avec d’autres observatoires au sol de classe 1–2 m. Nous avons également développé un vaste programme d’observation avec le satellite de surveillance des objets proches de la Terre (NEOSSat) couvrant 3 ans et 6 cycles d’observation pour observer les transits d’exoplanètes de longue durée, qui représentent un défi majeur à capturer avec des observatoires au sol. En utilisant ces deux instruments, nous avons fourni des observations pour le programme d’observation de suivi des exoplanètes TESS (ExoFOP). Grâce à mon travail dans ExoFOP, j’ai dirigé une publication de validation pour TOI-1221 b, une planète sub-neptunienne de 2,9 rayons terrestres sur une orbite de 92 jours. Non seulement nous avons écarté les scénarios de faux positifs pour cette planète tempérée à longue période, mais grâce à notre analyse détaillée de 6 transits TESS et 2 détections au sol, nous avons trouvé des preuves de variations de synchronisation de transit qui pourraient indiquer une autre planète cachée dans le système. Nous avons également utilisé NEOSSat pour rechercher un deuxième transit de TOI-2010 b, qui n’en montrait qu’un seul dans les données TESS. En surveillant l’étoile hôte sur une fenêtre d’incertitude de 7 jours, nous avons capturé le transit et amélioré considérablement notre connaissance de l’éphéméride de la planète. J’ai dirigé l’article de confirmation sur cette planète semblable à Jupiter avec une orbite de 142 jours, ajoutant une cible de faible insolation à la petite collection d’exoplanètes connues avec des périodes supérieures à 100 jours et des étoiles hôtes suffisamment brillantes pour un suivi spectroscopique. En plus de diriger ces deux projets spécifiques, mes observations avec Dragonfly et NEOSSat ont jusqu’à présent contribué à 10 autres publications dont je suis co-auteur. / Exoplanet discovery has undergone near-exponential growth over the last three decades. We now know exoplanet systems are the norm in the Galaxy and that a variety of planet archetypes exist that do not necessarily match our own Solar System. This rapid advancement is due in large part to space-based discovery missions utilizing the transit method to find and characterize new exoplanets. Kepler, and more recently, the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) have contributed the majority of confirmed or candidate exoplanets known today. The exoplanets discovered by TESS show particular promise, as TESS has deliberately targeted bright host stars to facilitate detailed spectroscopic analysis of their planets’ atmospheres. While TESS is highly efficient at identifying new transit signals, substantial follow-up effort is required to validate each new candidate and the overall success of the TESS mission heavily depends on attaining this follow-up from external observatories. Special attention is often required for long-period planets that suffer heavily from the biases involved in transit searches. If one can overcome the added observational challenges, these planets provide rare and valuable testbeds to investigate cool-atmosphere physics and chemistry. Through this thesis, I engaged with the TESS exoplanet follow-up community on several fronts by bringing previously unused instrument options to the endeavour, contributing to the general effort of candidate verification, as well as leading validation and confirmation studies of challenging long-period targets. We adapted the Dragonfly Telephoto Array (a.k.a. “Dragonfly”), designed for low-surface brightness targets, to the observation of exoplanet transits. I developed a new transient-appropriate observing mode and created scheduling, data processing, and analysis pipelines. We achieve a photometric precision floor of 0.5 ppt in 4–5-minute bins over the range 9 < mV < 13, competitive other 1–2 m class ground-based observatories. We also developed an extensive observing program with the Near-Earth Object Surveillance Satellite (NEOSSat) spanning 3 years and 6 observing cycles to observe long-duration exoplanet transits that provide a major challenge to capture with ground-based observatories. Using these two instruments, we provided follow-up observations for the TESS Exoplanet Follow-up Observing Program (ExoFOP). Through my work with ExoFOP, I led a validation publication for TOI-1221 b, a 2.9 Earth-radii sub-Neptune planet on a 92-day orbit. Not only do we rule out the false-positive scenarios for this long-period temperate planet, but through our detailed analysis of 6 TESS transits and 2 ground-based detections, we find evidence of transit timing variations that may indicate an additional hidden planet in the system. We also used NEOSSat to hunt for an elusive second transit of TOI-2010 b. By monitoring the host star over a 7-day uncertainty window, we caught the transit and vastly improved our knowledge of the planet’s ephemeris. I led the confirmation paper on this temperate Jupiter-like planet with a 142-day orbit, adding a low-insolation target to the small collection of known exoplanets with periods above 100 days and host stars bright enough for spectroscopic follow-up. Beyond leading these two specific projects, my observations with Dragonfly and NEOSSat have thus far contributed to 10 other publications for which I am co-author.

Relier la composition atmosphérique des planètes géantes aux conditions de formation dans le disque protoplanétaire est un objectif de longue date de la communauté scientifique planétaire. C’est d’ailleurs un des facteurs qui a motivé l’envoi de satellites spatiaux vers les planètes géantes du système solaire externe, pour tenter de déterminer leur composition atmosphérique. Mais si je vous disais que certaines choses sont plus faciles à mesurer sur des exoplanètes situées à des centaines d’années-lumière de nous que sur Jupiter ou Saturne dans notre propre arrière-cour cosmique, me croiriez-vous ? Dans cette thèse, nous utilisons la spectroscopie à haute résolution avec différents instruments pour caractériser les atmo- sphères des exoplanètes géantes chaudes et en tirer toute information possible sur ce que leur composition présente implique vis-à-vis de leur historique de formation et d’évolution. Dans une première étude, nous avons utilisé le spectrographe à haute résolution dans le proche infrarouge SPIRou pour observer l’émission thermique de la Jupiter chaude non transitante τ Boo b. Nos résultats ont révélé la présence d’une forte absorption de CO, mais une absence nette de signal du H2O. Grâce à un nouveau cadre d’analyse, nous avons pu déduire de manière robuste la forme de la structure verticale de température du côté jour de τ Boo b et contraindre les abondances de toutes les principales molécules contenant de l’oxygène et du carbone dans son atmosphère. Ceci nous a permis de dériver une abondance de C/H en phase gazeuse qui est élevée par rapport à celle du Soleil, comparable au niveau d’enrichissement de Jupiter. Nous avons également exploré l’hypothèse que la composition atmosphérique de τ Boo b pourrait être le résultat de son historique de formation, si elle s’est formée près de la ligne de glace du CO en accrétant du gaz enrichi. Dans un second projet, nous avons utilisé le spectrographe optique haute résolution MAROON-X pour observer l’exoplanète géante ultra-chaude WASP-76b alors qu’elle pas- sait devant son étoile hôte. Ces données nous ont permis de détecter 16 espèces dans son atmosphère, y compris une première détection sans ambiguïté de la molécule d’oxyde de vanadium, considérée comme le moteur des inversions thermiques. En mesurant l’abondance relative des espèces observées, nous avons pu découvrir une transition abrupte dans la tem- pérature de condensation : où les éléments étaient soit dans des proportions proches de celles du soleil par rapport au fer, soit appauvris par des ordres de grandeur s’ils avaient des tem- pératures de condensation supérieures à 1550K. Nos résultats ont également montré que presque toutes les espèces détectées ont des signaux d’absorption asymétriques, indiquant que WASP-76b a probablement un hémisphère plus froid ou plus nuageux que l’autre. Enfin, dans une troisième étude, nous avons observé l’émission thermique du côté jour de la Jupiter ultra-chaude WASP-121b en utilisant les spectrographes à haute résolution CRIRES+ et ESPRESSO. Avec cet ensemble de données combinées couvrant les longueurs d’onde optiques et proche infrarouge, nous avons pu détecter des signaux d’émission de CO, H2O, Fe, et Ni, indiquant que l’atmosphère de WASP-121b a une inversion thermique. Grâce à une analyse de récupération, nous avons ensuite mesuré simultanément et avec précision les abondances de C, O, Fe, et Ni, constatant que les éléments C et O, plus volatils, sont plus abondants que le Fe et Ni réfractaire. De cette composition atmosphérique déduite, nous avons pu conclure que WASP-121b a probablement accrété son enveloppe à une séparation orbitale beaucoup plus grande que sa position actuelle, à partir d’un matériau riche en glace. Avec ces travaux, nous avons démontré la puissance des instruments et des techniques dis- ponibles aujourd’hui pour extraire beaucoup d’informations sur les atmosphères des Jupiters chaudes et ultra-chaudes. En particulier, la capacité de mesurer leur composition avec une grande précision nous a permis d’explorer des liens potentiels avec la formation, ce qui peut nous donner un aperçu des mécanismes physiques qui permettent la formation des planètes géantes. Cependant, il reste encore beaucoup à faire et nous espérons continuer à repousser les limites de ce que nous pouvons réaliser avec la spectroscopie à haute résolution, ainsi qu’à exploiter les synergies avec les observations complémentaires qui peuvent être obtenues avec des télescopes spatiaux tels que le JWST. / Relating the atmospheric composition of giant planets to formation conditions in the protoplanetary disc is a longstanding goal of the planetary science community. Indeed this has been one of the motivating factors for sending spacecrafts to the giant planets in the outer Solar System and try to determine their atmospheric compositions. But what if I told you that certain things are easier for us to measure on exoplanets hundreds of light years away from us than they are for Jupiter or Saturn in our own cosmic backyard – would you believe me? In this thesis we use high-resolution spectroscopy with different instruments to characterize the atmospheres of hot giant exoplanets and tease out any information we can about what their present-day compositions entail about their formation and evolution histories. In a first work, we used the high-resolution SPIRou near-infrared spectrograph to observe the thermal emission of the non-transiting hot Jupiter τ Boo b. Our results showed the presence of strong CO absorption, but a distinct lack of an H2O signal. With a newly developed analysis framework, we were able to robustly infer the shape of the dayside vertical temperature structure of τ Boo b and constrain the abundances of all the major oxygen- and carbon-bearing molecules in its atmosphere. This allowed us to derive a gas-phase C/H abundance that is elevated with respect to that of the Sun, comparable to Jupiter’s enrichment levels. We further hypothesized that the atmospheric composition of τ Boo b may be the result of its formation history, if it formed near the CO snowline from enriched gas due to pebble drift. In a second project, we used the high-resolution MAROON-X optical spectrograph to observe the ultra-hot giant exoplanet WASP-76b as it passed in front of its host star. From this data, we were able to detect 16 species in its atmosphere, including a first unambiguous detection of the vanadium oxide molecule thought to be a driver for thermal inversions. By measuring the relative abundances of the species observed, we were further able to discover a sharp transition in condensation temperature wherein elements were either in near-solar proportions relative to iron, or depleted by orders of magnitudes if they had condensation temperatures above 1,550 K. Our findings also showed that nearly all species detected have asymmetric absorption signals, indicating that WASP-76b likely has one hemisphere that is either colder or cloudier than the other. Finally, in a third study we observed the dayside thermal emission of the ultra-hot Jupiter WASP-121b using both the CRIRES+ and ESPRESSO high-resolution spectrographs. With this combined data set covering both optical and near-infrared wavelengths, we were able to detect CO, H2O, Fe, and Ni emission signals, indicating that the atmosphere of WASP-121b has a thermal inversion. With a retrieval analysis, we then simultaneously and precisely measured abundances for C, O, Fe, and Ni finding that the more volatile C and O elements are more abundant than refractory Fe and Ni. From this inferred atmospheric composition, we were able to conclude that WASP-121b likely accreted its envelope at a much larger orbital separation than its present-day location, from material that was ice-rich. With these works, we have demonstrated the power of now-available instrumentation and techniques to extract a wealth of information about the atmospheres of hot and ultra-hot Jupiters. In particular the ability to measure their compositions to high degrees of precision has allowed us to explore potential links to formation that may give us insights into the physical mechanisms that allow for giant planets to form. However, still much work remains, and hopefully we will continue to push the boundaries of what we can achieve with high- resolution spectroscopy, as well as leverage synergies with complementary observations that can be obtained with space-based telescopes such as the JWST.

Suite à la découverte d’environ 2000 naines brunes au cours des deux dernières décennies, on commence à bien comprendre la physique de ces objets de masse intermédiaire entre les étoiles et les planètes. Malgré tout, les modèles d’atmosphère et d’évolution de ces objets peu massifs peinent toujours à reproduire fidèlement leurs caractéristiques pour les âges les plus jeunes. Ce travail propose la caractérisation de quatre compagnons de masse sous-stellaire (8-30 MJup) en orbite à grande séparation (300-900 UA) autour d'étoiles jeunes (5 Ma) de la région de formation Upper Scorpius. De nouveaux spectres (0,9-2,5 um) et de nouvelles mesures photométriques (YJHKsL') sont présentés et analysés, dans le but de déterminer la masse, température effective, luminosité et gravité de surface de ces compagnons, tout en évaluant la fidélité avec laquelle les spectres synthétiques tirés de deux modèles d’atmosphère récents reproduisent les spectres observés. / Following the discovery of about 2000 brown dwarfs over the past two decades, we begin to understand the physics of these objects of mass intermediate between stellar and planetary masses. Nevertheless, the atmosphere and evolution models for these low-mass objects are still struggling to reproduce their characteristics at young ages. This work presents the characterization of four sub-stellar mass (8-30 MJup) companions orbiting at large separation (300-900 AU) around young stars (5 Myr) in the Upper Scorpius formation region. New spectra (0,9-2,5 um) and new photometric measurements (YJHKsL') are presented and analyzed in order to determine the mass, effective temperature, luminosity and surface gravity of these companions, while assessing the fidelity with which the synthetic spectra from two recent atmosphere models reproduce the observed spectra.

De nouveaux modèles d'atmosphère sont présentés, incluant les profils de raie d'hélium neutre améliorés de Beauchamp (1995) et le formalisme de probabilité d'occupation pour ce même atome. Ces modèles sont utilisés pour calculer une grille de spectres synthétiques correspondant à des atmosphères riches en hélium et contenant des traces d'hydrogène. Cette grille est utilisée pour déterminer les paramètres atmosphériques principaux des étoiles de notre échantillon, soient la température effective, la gravité de surface et l'abondance d'hydrogène. Notre échantillon contient des spectres visibles de haut rapport signal-sur-bruit pour 102 naines blanches riches en hélium, dont 29 ont été observés au cours de ce projet, ce qui en fait le plus grand échantillon de spectres de qualité de naines blanches riches en hélium. Des spectres synthétiques ont été calculés en utilisant différentes valeurs du paramètre α de la théorie de la longueur de mélange dans le but de calibrer empiriquement la valeur de ce paramètre pour les DB. Afin d'améliorer la précision sur les paramètres atmosphériques de quelques étoiles, nous avons utilisé des spectres couvrant la raie Hα pour mieux déterminer l'abondance d'hydrogène. Finalement, nous avons calculé la distribution de masse de notre échantillon et la fonction de luminosité des DB. La distribution de masse montre une coupure à 0.5 fois la masse solaire qui est prédite par les modèles d'évolution stellaire et dévoile une masse moyenne significativement plus élevée pour les étoiles de type DBA. La masse moyenne de l'ensemble des DB et DBA est très proche de celle des DA. La fonction de luminosité nous permet de calculer que le rapport du nombre de DB sur le nombre de DA vaut environ 25%. / New model atmospheres are presented, including improved neutral helium lines from Beauchamp (1995) and the occupation probability formalism for that atom. These models are used to compute a grid of synthetic spectra for helium rich atmospheres with different hydrogen abundances. This grid is used to determine the principal atmospheric parameters of the stars in our sample, e.g. effective temperature, surface gravity and hydrogen abundance. There are 102 high quality spectra of helium-rich white dwarfs in our sample, making it the largest sample of this kind. 29 of these spectra were observed for this project. Synthetic spectra using different values of the α parameter from the mixing length theory have been calculated in order to determine the correct value of this parameter for DB model atmospheres. Finally, we have computed the mass distribution of our sample and the DB luminosity funtion. The mass distribution shows a clear cutoff at 0.5 solar masses which is predicted by stellar evolution theory and gives a significantly higher mean mass for the DBA stars of the sample. However, the global mean mass of our sample is very close to that of DA stars. With our luminosity function, we found a number ratio of DB stars over DA stars of about 25%.