La photométrie des transits permet de détecter des planètes extrasolaires en mesurant leur rayon. Dans cet objectif, le télescope spatial CoRoT (Convection, Rotation et Transit planétaires), lancé en décembre 2006, est doté d'un photomètre de haute précision permettant à la fois l'étude de la structure interne des étoiles par astérosismologie et la détection de planètes par la méthode des transits. Pour cette thèse, j'ai développé différents outils informatiques permettant la détection, l'analyse détaillée de transits dans les courbes de lumière de CoRoT. J'ai appliqué ces outils aux quelques 12 000 étoiles observées durant chacune des dix premières campagnes d'observation. La collaboration des équipes de détection et de suivi au sol par d'autres méthodes d'observation a permis, à ce jour, la découverte de quinze planètes et deux naines brunes.Il est possible de contraindre les modèles de ces exoplanètes grâce à la connaissance des paramètres (masse, rayon): gazeuses, de glace, telluriques, ou d'autres types mixtes.La recherche de planètes rocheuses en particulier est un objectif motivé tant par la rareté des détections de ces objets jusqu'à présent (liée à leur faibles rayon et masse), que par la grande variété potentielle de leur nature.Ainsi, la découverte de CoRoT-7b, la première exoplanète compatible avec un modèle rocheux et dont le rayon (1,6 rayon terrestre) et la masse (environ 7 masses terrestres) ont pu être mesurés, a permis d'élaborer un modèle physique auquel j'ai contribué.J'ai étudié la possibilité d'observer cette planète très chaude en proche infrarouge avec le JWST, au cours de son orbite, afin d'estimer le contraste de température entre les faces jour et nuit. Ceci doit permettre de confirmer / invalider notre modèle qui suppose l'absence d'une atmosphère suffisamment dense pour redistribuer la chaleur à la surface de CoRoT-7b.

Au cours des 15 dernières années, plus de 500 exoplanètes ont été détectées, révélant l'existence de systèmes souvent très différents du nôtre. Ces découvertes ont profondément affecté notre compréhension des mécanismes de formation des systèmes planétaires et de leur évolution dynamique. Aujourd'hui, les deux défis principaux sont d'estimer l'abondance des planètes jusqu'aux masses telluriques et d'effectuer la transition de la détection vers la caractérisation des exoplanètes. Cette thèse apporte une contribution sur les deux aspects, détection d'exoplanètes par microlentilles gravitationnelles et de molécules dans les atmosphères. Les microlentilles gravitationnelles ont permis de détecter 20 exoplanètes (publiées ou en cours de publication), incluant deux super-Terres de 3.2 et 5.5 $M_\oplus$. Bien que ce nombre soit modeste, cette technique permet l'exploration de systèmes inaccessibles via d'autres methodes, ayant son maximum de sensibilité au-delà de la limite des glaces. Nous détaillons tout d'abord l'analyse d'un évènement de haute amplification et sa sensibilité à la présence potentielle d'une planète. Avec une étoile à 5.5 kpc du système solaire, un compagnon de type terrestre orbitant à quelques UA aurait pu être détecté. Cette analyse d'efficacité de détection a contribué à une étude plus large visant à estimer l'abondance de planètes au sein de la Galaxie, montrant que les Saturne glacées sont abondantes. Nous traitons ensuite d'un évènement impliquant une planète massive orbitant une étoile naine et discutons de la faible probabilité d'existence d'un tel système selon les théories de formation planétaire du modèle d'accrétion de coeur. La prise en compte d'effets du second ordre dans la modélisation de cet évènement, doublée d'une analyse bayesienne à partir des distributions de vitesse et de luminosité des étoiles de la Galaxie, a permis de contraindre la dynamique du système. Enfin, la découverte d'une planète de type Neptune dont j'ai participé à la détection est présentée. Sur le thème des atmosphères planétaires, nous présentons l'analyse du Jupiter chaud HD209458b basée sur des mesures de transits primaires par Spitzer dans l'infrarouge. J'ai développé un algorithme de type MCMC adapté aux courbes de transits afin d'estimer les paramètres physiques et orbitaux de la planète. Ces paramètres constituent alors des données d'entrée pour les modèles d'atmosphère planétaire. Le spectre en transmission de HD209458b est dominé par l'absorption de vapeur d'eau.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La photométrie des transits permet de détecter des planètes extrasolaires en mesurant leur rayon. Dans cet objectif, le télescope spatial CoRoT (Convection, Rotation et Transit planétaires), lancé en décembre 2006, est doté d'un photomètre de haute précision permettant à la fois l'étude de la structure interne des étoiles par astérosismologie et la détection de planètes par la méthode des transits. Pour cette thèse, j'ai développé différents outils informatiques permettant la détection, l'analyse détaillée de transits dans les courbes de lumière de CoRoT. J'ai appliqué ces outils aux quelques 12 000 étoiles observées durant chacune des dix premières campagnes d'observation. La collaboration des équipes de détection et de suivi au sol par d'autres méthodes d'observation a permis, à ce jour, la découverte de quinze planètes et deux naines brunes.Il est possible de contraindre les modèles de ces exoplanètes grâce à la connaissance des paramètres (masse, rayon): gazeuses, de glace, telluriques, ou d'autres types mixtes.La recherche de planètes rocheuses en particulier est un objectif motivé tant par la rareté des détections de ces objets jusqu'à présent (liée à leur faibles rayon et masse), que par la grande variété potentielle de leur nature.Ainsi, la découverte de CoRoT-7b, la première exoplanète compatible avec un modèle rocheux et dont le rayon (1,6 rayon terrestre) et la masse (environ 7 masses terrestres) ont pu être mesurés, a permis d'élaborer un modèle physique auquel j'ai contribué.J'ai étudié la possibilité d'observer cette planète très chaude en proche infrarouge avec le JWST, au cours de son orbite, afin d'estimer le contraste de température entre les faces jour et nuit. Ceci doit permettre de confirmer / invalider notre modèle qui suppose l'absence d'une atmosphère suffisamment dense pour redistribuer la chaleur à la surface de CoRoT-7b. / The transit photometry makes it possible to detect exoplanets by measuring their radii. Pursuing this goal, the space telescope CoRoT (Convection, Rotation and planetary Transits), launched in December 2006, is equiped with a high-precision photometer allowing both planet detection by transit photometry, and stellar physics studies (asteroseismology).For this PhD thesis, I have developed various computing tools for the detection and detailed analysis of the transits in CoRoT light curves. I have applied these tools to almost 12 000 stars observed during each of the first ten campaigns of observation. The collaboration between the detection and ground based follow-up teams led to the discovery, up to now, of fifteen planets and two brown dwarfs.It is possible to constrain the physical natures of these exoplanets thanks to the knowledge of the masses and radii: they can be gazeous, icy, rocky or with an mixed nature.The search for rocky planets in particular, is a goal motivated by their singular nature, and both by the paucity of detections of these objects (due to their low masses and radii), Thus, the discovery of CoRoT-7b -- the first exoplanet compatible with a rocky model and whith measured radius (1.6 Earth radius) and mass (around 7 Earth masses) -- allowed us to develope a physical model to which I contributed :I studied the possibility of observing this very hot planet in the near infrared range with JWST, during its orbit, to estimate the temperature contrast between the day and the night faces. This should allow to confirm / invalidate our model with atmosphere dense enough to redistribute heat at the surface of CoRoT-7b.

Toutes les étoiles visibles à l'œil nu doivent leur brillance momentanée aux réactions nucléaires qui ont lieu dans leur intérieur. Ceci en fait des joyaux dans notre ciel nocturne, mais les amènera à une fin tragique, dans laquelle elles exploseront pour devenir soit des naines blanches dégénérées, des étoiles à neutrons ou des trous noirs. Une autre population, plus nombreuse, mais à peine visible, a choisi de vivre une vie morne mais tranquille et quasiment éternelle: ses individus font attention à ne pas devenir dépendant de l'hydrogène pour briller. Certains, dans leur jeunesse, consument des substances moins énergétiques telles que le deutérium et le lithium, mais épuisent rapidement leur stock. En conséquence, ils se refroidissent et se contractent progressivement, gardant intacts la plupart des éléments qui les ont formés. Ces naines brunes et planètes géantes forment une nouvelle classe d'objets astronomiques. Ils comblent un fossé entre les étoiles et les planètes de notre Système Solaire. Leur étude nous informe sur nos origines, sur la formation des étoiles et des planètes. Elle nous aide aussi à comprendre et/ou tester des théories allant de la physique à haute pression, à la dynamique atmosphérique, en passant par les effets de marées, la chimie, la formation de nuages...etc. Ce cours est focalisé sur quelques aspects physiques liés à l'étude théorique de ces objets substellaires: Je détaille leur évolution hydrostatique et sa modélisation, ce que nous savons de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, de leur structure interne, comment les nuages façonnent leur apparence et contrôlent leur refroidissement, ce que nous pouvons apprendre des observations des naines brunes et exoplanètes, et les conséquences des découvertes récentes sur notre vision de la formation planétaire.

Mon travail de thèse se place dans le contexte dynamique de la détection directe des compagnons de faible masse (naines brunes, planètes extrasolaires) dans le but de caractériser leurs propriétés physiques et chimiques et de comprendre leurs mécanismes de formation et d'évolution. Cette recherche requiert l'emploi de techniques d'observations à haut contraste et à haute résolution angulaire pour résoudre l'environnement proche des étoiles et ne pas être limité par leur flux. Dans ce cadre, j'ai eu la chance de participer à des campagnes d'observations pour tenter de détecter de nouvelles sources. J'ai élaboré un ensemble d'outils de traitement et d'analyse des données pour extraire les spectres et les flux des objets dans des bandes photométriques. Enfin, j'ai utilisé ces informations pour étudier les propriétés physiques (rayon, masse, âge) et atmosphériques (composition, température effective, gravité de surface) de ces objets. La première partie de ce manuscrit se focalise sur la détection par imagerie des compagnons de faible masse jeunes (< 100 millions d'années). Je décris un ensemble d'outils de réduction et d'analyse, spécifiques à la technique d'imagerie angulaire différentielle, que j'ai mis en place. Ces outils ont été utilisés sur des données provenant de l'instrument NaCo situé au Very Large Telescope (Chili). Ils ont permis de re-détecter la planète extrasolaire β Pictoris b. Ce compagnon est le plus proche de son étoile de toutes les exoplanètes détectées directement. Cette découverte fournit la preuve directe que des planètes géantes se forment en moins de 12 millions d'années à l'intérieur de disques. Je présente enfin l'analyse complémentaire que j'ai mené pour initier la caractérisation de cet objet particulier. Le second volet de mon travail, présenté dans la deuxième partie du manuscrit, est axé sur la détermination des propriétés spectroscopiques dans le proche infrarouge (1.1-2.5 µm) des objets de faible masse jeunes. Ce travail à débuté par l'optimisation et le développement d'outils de traitement et d'analyse des données du spectrographe intégral de champ SINFONI assisté par optique adaptative. Les efforts déployés ont permis d'analyser le spectre du compagnon naine brune/exoplanète AB Pic b. Ce travail s'est poursuivi par la construction d'une bibliothèque de spectres d'objets jeunes. Cette bibliothèque fournie un ensemble de spectres de référence pour l'étude des compagnons détectés. Elle apporte des contraintes inédites sur les dernières générations de modèles d'atmosphère froids. Enfin, j'ai tiré parti de l'expérience acquise sur les instruments NaCo et SINFONI pour caractériser le système binaire TWA 22AB qui pourrait calibrer les modèles d'évolution des objets de faible masse.

Des oscillations sont observées dans de nombreuses étoiles de type solaire. L'astérosismologie permet de sonder leur structure interne. Lors de ce travail nous nous sommes intéressés à l'étoile ΙHor. Comme la plupart des étoiles à planète, elle est surmétallique. Elle appartient au courant des Hyades: elle possède la même cinématique galactique que les étoiles de l'amas.<br /> La première partie de cette étude introduit brièvement la théorie des oscillations stellaires et les équations qui y sont liées. Dans une deuxième partie, le comportement des coeurs convectifs dans les étoiles de type solaire est étudié, ainsi que leur influence sur les fréquences d'oscillation. La troisième partie présente l'étude de ΙHor. Dans un premier temps, elle est modélisée à partir des observations spectroscopiques de trois groupes d'observateurs et les fréquences de ces modèles sont calculées. Dans un deuxième temps, les observations avec le spectrographe HARPS sont décrites. Enfin est présentée la recherche du modèle de ΙHor qui ajuste au mieux les observations. Il est montré que cette étoile a été formée avec l'amas des Hyades. Sa surmétallicité provient du nuage primordial à l'origine de l'amas des Hyades et de plusieurs autres. Elle n'est pas la conséquence d'accrétion de planètes dans ses couches externes

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Nous cherchons à mettre en évidence l'influence des hétérogénéités de température, de structure ou de composition des atmosphères sur leurs observations. Dans le années à venir, de plus en plus d'appareils vont permettre l'observation par transmission des atmosphères d'exoplanètes. Toutefois, les outils numériques permettant de contraindre ces dernières reposent sur des modèles simples à une dimension. Ils supposent en effet des atmosphères ne possédant qu'une structure verticale (le climat est le même en tout point de la surface, la composition ou la température n'évolue qu'avec l'altitude). Cette approche a le mérite de permettre des calculs rapides et de contraindre les paramètres globaux de l'atmosphère avec des temps raisonnables. Ceci ne serait pas possible en l'état avec une modélisation en 3 dimensions des atmosphères, même si ce serait beaucoup plus réaliste. Ce que nous cherchons à mettre en évidence, ce sont les limites des techniques actuelles d'inversion et donc, de caractérisation des atmosphères qui seront observées. Pour cela, il fallait mettre au point un logiciel capable de résoudre le transfert radiatif au sein d'une atmosphère en 3 dimensions (et non plus 1 seul). Une fois le logiciel terminé, nous avons éprouvé l'algorithme de traitement du signal TauREx en comparant les résultats qu'il proposait à des simulations atmosphériques parfaitement contrôlées. Nous nous sommes tout principalement arrêté sur les biais découlant d'hétérogénéités de température en simulant des atmosphères avec un fort contraste jour/nuit. Ceci nous a permis de caractériser les biais découlant de ces types d'hétérogénéités, de les quantifier et de mettre l'accent sur un biais jusqu'ici très sous-estimé par la communauté, à savoir celui découlant des hétérogénéités le long de la ligne de visée. Nous avons appuyé nos propos et concentré nos efforts sur l'interprétation de l'inversion d'une simulation complexe de l'atmosphère de GJ 1214 b. La reconstitution de la chaine observationnelle : GCM (LMD), Pytmosph3R (LAB) et TauREx (UCL) ouvre les portes d'un vaste panel d'études envisageables, et notamment tout ce qui va concerner l'identification et la caractérisation des biais systématiques qui incomberont les observations à venir. / Transmission spectroscopy provides us with information on the atmospheric properties at the limb, which is often intuitively assumed to be a narrow annulus aound ther planet. Consequently, the few recent studies on the effect of atmospheric horizontal heterogeneities on transmission spectra have used approaches sensitive to variations along the limb only. Here we demonstrate that the region probed in transmission – the limb – actually extends significantly toward the day and night sides of the planet. Consequently we show that thestrong day-night thermal and compositional gradients expected on synchronous exoplanets create sufficient heterogeneities across the limb to result in important systematic effects on the spectrum and bias its interpretation. To quantify these effects, we developed a 3D radiative transfer model able to generate transmission spectra of atmospheres based on 3D atmospheric structures, whether they come from a Global Climate Model or more parametrized models. We first apply this tool to a simulation of the atmosphere of GJ 1214 b toproduce synethic JWST observations and show that producing a spectrum using only atmospheric columns at the terminator results in errors greater than expected noise. This demonstrates the necessity of a real 3D approach to model data for such precise observatories.Second, we investigate how day-night temperature gradients cause a systematic bias in retrieval analysis performed with 1D forward models. For that purpose we synthesize a large set of forward spectra for prototypical HD209458 b and GJ 1214 b type planets varying the temperatures of the day and night sides as well as the width of the transition region. We then perform typical retrievalanalyses and compare the retrieved parameters to the ground truth of the input model. This study reveals systematic biases on the retrieved temperature (found to be higher than the terminator temperature) and absorber abundances. This is due to the fact that the hotter dayside is more extended vertically and screens the nightside—a result of the nonlinear properties of atmospheric transmission.These biases will be difficult to detect as the 1D profiles used in the retrieval procedure are found to provide an excellent match to theobserved spectra based on standard fitting criteria (chi2, posterior distributions). This fact needs to be kept in mind when interpretingcurrent and future data.

Le mini-satellite Corot lancé en 2006 utilisera la méthode des transits : <br />Une exoplanète signe son passage devant l'étoile par une brève baisse de flux inférieure au millième. La stabilité et continuité de mesure seront assurées sur 150 jours pour 60.000 étoiles afin d'augmenter le nombre de configurations favorables. La photométrie d'ouverture intègre chaque flux dans un masque de lecture adapté aux multiples bruits, limité `a 250 formes différentes pour 12.000 cibles. J'ai étudié des méthodes autorisant cette réduction sans perte notable de signal `a bruit. Le tri efficace de masques aléatoires s'avère la plus satisfaisante. <br /><br /> Pour la détection, j'ai développé une méthode qui rehausse le contraste des transits en éliminant les composantes des effets collectifs et de certains artefacts. Après détection temporelle les systématiques sont identifiées, même celles d'origine et de poids inconnus. On fait émerger de nouvelles détections en jaugeant la dispersion autour de ces composantes.