Dans ce projet de doctorat, nous appliquons une technique d'analyse basée sur la fonction d'autocorrélation à trois domaines distincts de l'astrophysique dans le but de détecter avec une grande précision des variations causées par différents phénomènes physiques dans le profil des raies d'absorption des spectres stellaires. Le premier sujet concerne la mesure de champs magnétiques stellaires. Nous avons obtenu la courbe de variation du module moyen du champ magnétique de 18 étoiles en fonction de leur période de rotation, et avons comparé quelques courbes magnétiques obtenues avec la technique d'autocorrélation avec celles découlant de l'analyse d'un autre groupe de recherche qui a utilisé une méthode conventionnelle. Pour tous les cas, la technique d'autocorrélation nous a procuré des résultats d'une précision supérieure à la technique concurrentielle. Le second sujet analysé se rapporte aux mesures de la vitesse de microturbulence des céphéides avec la technique d'autocorrélation. Nous avons obtenu des courbes de vitesses de microturbulence en fonction de la phase de pulsation de six céphéides. Pour la grande majorité des cas étudiés, nous avons mesuré un pic de vitesse de microturbulence à l'instant où la céphéide atteint son rayon minimal. Ces résultats sont en accord avec des travaux antérieurs menés sur le sujet. Le troisième et dernier sujet analysé est en lien avec la détection de signaux d'exoplanètes par lumière réfléchie de l'étoile hôte. Dans le spectre visible, le signal d'une planète est approximativement une copie de celui de son étoile hôte, mais d'intensité beaucoup plus faible (i.e. 10-⁵ à 10-⁴ fois l'intensité de l'étoile). De ce fait, détecter la signature d'une planète dans le visible avec un degré de certitude acceptable est un défi important. Pour cette portion du projet, nous avons mis de l'avant les avantages de la fonction d'autocorrélation par rapport à une méthode déjà bien établie dans le domaine basée sur la fonction de corrélation croisée au moyen de spectres simulés. De plus, nous avons analysé le système de l'étoile 51 Peg accompagnée de sa planète 51 Peg b. Nous avons réussi à mesurer le signal de la planète 51 Peg b avec une détection maximale de 5.52 ợ bruit. Il s'agit d'un degré de détection presque 50 % supérieur à celui atteint par un autre groupe de recherche ayant utilisé les mêmes spectres et une technique de corrélation croisée.De ce fait, détecter la signature d'une planète dans le visible avec un degré de certitude acceptable est un défi important. Pour cette portion du projet, nous avons mis de l'avant les avantages de la fonction d'autocorrélation par rapport à une méthode déjà bien établie dans le domaine basée sur la fonction de corrélation croisée au moyen de spectres simulés. De plus, nous avons analysé le système de l'étoile 51 Peg accompagnée de sa planète 51 Peg b. Nous avons réussi à mesurer le signal de la planète 51 Peg b avec une détection maximale de 5.52 o bruit. Il s'agit d'un degré de détection presque 50 % supérieur à celui atteint par un autre groupe de recherche ayant utilisé les mêmes spectres et une technique de corrélation croisée.De ce fait, détecter la signature d'une planète dans le visible avec un degré de certitude acceptable est un défi important. Pour cette portion du projet, nous avons mis de l'avant les avantages de la fonction d'autocorrélation par rapport à une méthode déjà bien établie dans le domaine basée sur la fonction de corrélation croisée au moyen de spectres simulés. De plus, nous avons analysé le système de l'étoile 51 Peg accompagnée de sa planète 51 Peg b. Nous avons réussi à mesurer le signal de la planète 51 Peg b avec une détection maximale de 5.52 o bruit. Il s'agit d'un degré de détection presque 50 % supérieur à celui atteint par un autre groupe de recherche ayant utilisé les mêmes spectres et une technique de corrélation croisée. / In this PhD project, we apply an analysis technique based on the autocorrelation function to three different fields in order to detect with great precision variations caused by different physical phenomena in the profile of the absorption lines of stellar spectra. The first subject relates to the measurement of stellar magnetic fields. We obtained the variation curve of the mean magnetic field modulus of 18 stars as a function of their rotation period and compared some magnetic curves obtained with the autocorrelation technique with those of another research group who used a conventional method. For all cases, the autocorrelation technique gave us magnetic curves of a higher precision compared to the competitive technique. The second subject that we studied pertains to the measurements of the microturbulence velocity of Cepheids with the autocorrelation technique. We obtained microturbulence curves as a function of the pulsation phase of six Cepheids. For the vast majority of the cases studied, we measured a microturbulence velocity peak at the precise moment during which the Cepheid reaches its minimum radius. These results are in agreement with previous work done on the subject. The third and last subject refers to the detection of exoplanet signals by reflected light of the host star. In the visible spectrum, the signal of a planet is approximately a copy of that of its host star but of much lower intensity (i.e. 10-⁵ à 10-⁴ the intensity of the star). As a result, detecting the planetary signal in the visible band with an acceptable degree of certainty is a major challenge. For this portion of the project, we have highlighted the advantages of the autocorrelation function compared to an already well-established method in astrophysics based on the cross-correlation function using simulated spectra. In addition, we analyzed the 51 Peg + 51 Peg b planetary system. We succeeded to measure the 51 Peg b planetary signal with a maximum detection of 5.52 o noise. This is about 50 % higher than what was achieved by another research group using the same spectra and a cross-correlation technique.

Le signal thermique d'une exoplanète tellurique est une clé pour caractériser les propriétés physiques et chimiques de son atmosphère. La résolution spectrale, et donc la caractérisation spectrale que nous pouvons réaliser des planètes extrasolaires, est malheureusement très limité, en particulier pour les planètes similaires à la Terre. Dans cette thèse, j'ai étudié la possibilité de caractériser des exoplanètes telluriques par l'analyse de la variabilité de son émission infrarouge. L'émission thermique apparente est en effet modulée par les saisons, la rotation de la planète, le mouvement et la variabilité des nuages, la phase orbitale, et aussi par la présence des satellites naturels.Premièrement, nous avons étudié l' émission thermique de la Terre vue en tant que point-source distante, ainsi que la variabilité et la dépendance du signal de la géométrie d'observation. J'ai modélisé l'émission de la Terre à l'aide des données satellitaires et des données produites par des modèles de circulation général (GCMs) du Laboratoire de Météorologie Dynamique de Paris (LMD), en comparant les deux types de données afin de valider les simulations.Pendant la deuxième partie de mon travail, j'ai utilisé des donnés du GCM pour modéliser des planètes telluriques qui diffèrent de la Terre par seulement un ou deux paramètres tels que: la vitesse de rotation (y compris des planètes synchrones), une surface planétaire entièrement recouverte par la glace ou de l'eau, l'obliquité de l'axe de rotation ou l'excentricité de l'orbite. Pour toutes ces planètes virtuelles, j'ai étudié le climat, déduit les propriétés physiques de la planète, et produit et analysé les signaux intégrés associés à différentes géométries d'observation.La dernière partie de la thèse est un travail préliminaire qui consiste en ne plus considérer l'émission bolométrique mais le signal de bandes spectrales étroites, grâce à une nouvelle génération de GCM. Parce que chaque bande explore un niveau spécifique dans l'atmosphère, l'étude de la variation du spectre en comparant les variabilités photométriques entre les bandes, permet d'étudier la dynamique, la composition, la distribution et l'évolution de l'atmosphère de la planète, ce qui ouvre un champ encore inexploré pour la caractérisation des exoplanètes. / The thermal emission received from a planet is a key to characterize the physical and chemical properties of its atmosphere. The spectral resolution, and therefore the spectral characterization that we can achieve for extrasolar planets is unfortunately very limited in particular for terrestrial planets. In this thesis, we study the possibility to characterize an Earth-like exoplanet by the analysis of the broadband infrared emission variability. The apparent thermal emission is indeed modulated by the seasons, the rotation of the planet, the motion and variability of atmospheric patterns and clouds, the orbital phase, and even the presence of a moon. As a reference case, we have studied the thermal emission of the Earth seen as a distant point-source, as well as the variability and the dependency of the signal on the observation geometry. We have modeled the emission of the Earth using data derived from observations and data produced by a General Circulation Models (GCMs), comparing both types of data in order to validate our simulations.As a second part of our work, we have used the GCM to model Earth-like planets that differ from the Earth by a few parameters such as different rotation rates (including tidally-locked planets), a planetary surface completely covered by ice or water, different obliquities and eccentricities. For all these virtual planets, we have studied the climate derived from the physical properties and the photometric infrared signal associated with them.The last part of the thesis is a preliminary work that no longer consider the bolometric emission but the signal from narrow spectral bands, thanks to a new generation of GCMs. Because each band probes a specific level in the atmosphere, studying how the low resolution spectrum of the planets varies by comparing the photometric variabilities between bands, we can study the dynamics, composition, distribution and evolution of the atmosphere of the planet, which it opens a yet unexplored field for the characterization of exoplanets.

Lors de cette thèse, je me suis attaché à améliorer notre connaissance des planètes géantes, depuis notre voisine Jupiter jusqu’aux exoplanètes lointaines : les Jupiter chauds. Grâce aux nouvelles observations gravitationnelles extrêmement fines du satellite Juno, entré en orbite autour de Jupiter en juillet 2016, il est possible d’améliorer significativement les modèles de structure interne de la planète. Cependant, cela ne peut se faire qu’à condition d’avoir une méthode suffisamment précise pour exploiter au maximum les données. J’ai donc étudié la méthode des sphéroides de Maclaurin concentriques et ses limitations. A l’aide des connaissances contemporaines sur les équations d’état, les propriétés diffusives et les transition ou séparation de phase entre l’Hydrogène et l’Hélium, il m’a alors été possible de produire de nouveaux modèles de Jupiter. Arriver à combiner les observations gravitationnelles de Juno et les abondances d’éléments observées par Galiléo n’a pu se faire qu’en décomposant Jupiter en au moins 4 zones, de l’enveloppe externe jusqu’au coeur compact. J’ai montré que la taille de ce coeur compact était dégénérée avec la variation d’entropie à l’intérieur de la planète.La structure interne des Jupiter chauds quant à elle est très dépendante de leur dynamique atmosphérique, qui entraîne une inflation de leur rayon. J’ai étudié les atmosphères de ces planètes à l’aide du modèle de circulation globale de l’Université d’Exeter et d’un code linéaire que j’ai développé, appelé ECLIPS3D. La caractéristique la plus importante de la circulation atmosphérique est la présence d’un jet superrotatif, étendu en latitude.J’ai donc étudié la création de ce jet à l’aide d’arguments théoriques pour s’assurer de sa pertinence physique. L’étude de la solution linéaire dépendante du temps, associée à des arguments numériques sur la convergence de quantité de mouvement par les vents verticaux m’ont permis d’établir une compréhension globale, cohérente de l’accélération de la superrotation dans l’atmosphère de ces planètes.Avec ce travail, j’ai amélioré ma compréhension théorique des planètes géantes et développé des codes qui peuvent être utilisés pour améliorer nos connaissances sur la structure interne et la dynamique atmosphérique des planètes géantes, que ce soit Jupiter, Saturne ou les Jupiter chauds. / Through this thesis, I have been motivated by the will to improve our knowledge of giant planets, from our neigh- bouring Jupiter to the far away worlds across the galaxy: hot Jupiters.With the latest, extremely precise observations of the satellite Juno, new models of the interior of Jupiter can be derived. A precise enough method is required to take full advantage of these outstanding data, and I therefore studied the concentric Maclaurin spheroid method and its limitations.With contemporary understanding on the equations of state, diffusive properties and phase transition/separation of hydrogen and helium, I could then focus on producing new interior models of Jupiter. Combining the gravitational observations of Juno with the elemental observations of Galileo has proven to be a complicated task, which required to decompose the planet into at least four regions from the outer envelope to the inner, compact core. I have shown that the size of the compact core is degenerated with the entropy variation within the planet.Concerning hot Jupiters, I have reminded of the need to understand their atmospheric dynamics to constrain their interior structure, as the wind circulation can lead to an inflation of their radius. Studying numerically their at- mospheric dynamics was performed with the University of Exeter’s global circulation model as well as with the development of a linear solver that I called ECLIPS3D. An important, robust feature is the presence of a broad equatorial superrotation in the atmosphere of these planets.Finally, I have explored the spin up of this superrotation on theoretical grounds, to assess its physical relevance. I have calculated the linear time dependent solution to show the importance of differential drag and radiative damp- ing, and have used numerical simulations to highlight the importance of vertical momentum acceleration. Globally, a coherent picture of the initial spin up of superrotation was obtained.Through this work, I have improved my theoretical understanding of giant planets and developed various codes that can be used to study and improve our knowledge of the interior structure and atmospheric dynamics of giant planets, from Jupiter and Saturn to hot Jupiters.

La connaissance des exoplanètes est aujourd'hui une problématique majeure en astronomie. Leur observation directe depuis le sol est cependant rendue extrêmement délicate par le rapport de flux existant entre la planète et son étoile hôte mais également par la turbulence atmosphérique. Ce type d'observation implique donc l'utilisation d'instruments dédiés, alliant un grand télescope, un système d'optique adaptative extrême, un coronographe supprimant physiquement les photons issus de l'étoile,une instrumentation plan focale optimisée (imageur différentiel ou spectrographe à intégrale de champ par exemple), mais également uneméthodologie de traitement de données efficace. Le projet SPHERE regroupe ces différents points et fixe le cadre des études effectuées dans cette thèse. Mon travail de thèse a consisté à développer,mettre en oeuvre et à optimiser différentes méthodes permettant d'assurer une détectivité optimale. Ces méthodes ont porté dans un premier temps sur l'optimisation d'un système d'optique adaptative via la mesure et la compensation des aberrations non-vues. Ces aberrations constituent une des principales limitations actuelles des systèmes d'optique adaptative extrême. La méthode proposée, alliant une amélioration de la technique de diversité de phase et une nouvelle procédure de calibration appelée « pseudo closed-loop » a été validée par simulation et testée sur le banc d'optique adaptative de l'ONERA. Une précision ultime de moins de 0,4nm rms par mode a été démontrée, conduisant à un rapport de Strehl interne sur le banc supérieur à 98.0% à 0,6μm. Dans un deuxième temps, mon travail a consisté à proposer une méthode de traitement d'image a posteriori dans le cadre de l'imagerie différentielle sans coronographe, qui consiste à acquérir simultanément des images à différentes longueurs d'onde. Cette méthode, fondée sur une approche de Maximum A Posteriori, utilise l'information multi-longueur d'onde de l'imageur différentiel, pour estimer conjointement les résidus de turbulence ainsi que les paramètres de l'objet. En plus de l'imagerie différentielle spectrale, l'instrument SPHERE permet d'acquérir des images différentielles angulaires, c'est-à-dire avec rotation de champ. Une méthode fondée sur la théorie de la détection est proposée pour traiter de façon optimale ce type de données. Enfin, dans le contexte de l'imagerie coronographique, j'ai proposé dans un troisième temps un modèle novateur complet de formation d'image d'une longue pose avec coronographe. Ce modèle prend en compte un coronographe parfait, des aberrations statiques en amont et en aval du masque focal, et la fonction de structure de la turbulence après correction par OA. Ce modèle est utilisé dans une méthode d'inversion permettant d'estimer l'objet observé. Ces méthodesà fort potentiel devraient être implantées à terme sur l'instrument SPHERE, et devraient permettre la découverte de nouvelles exoplanètes à l'horizon 2011.

Un effet de microlentille gravitationnelle galactique a lieu lorsqu'une étoile d'avant-plan du disque de la Voie Lactée (la "microlentille") croise la ligne de visée d'une étoile d'arrière-plan située dans le Bulbe (la source). Le phénomène s'accompagne d'une amplification caractéristique du flux lumineux. Cette propriété est utilisée comme outil original aussi bien pour la recherche de planètes extra-solaires et la détermination de limites à leur abondance, que pour réaliser la tomographie d'étoiles géantes du Bulbe.<br /> <br /> Grâce à un réseau de télescopes régulièrement espacés en longitude dans l'hémisphère sud, la collaboration internationale PLANET (Probing Lensing Anomalies NETwork) procède à un suivi précis et continu d'événements de microlentille soigneusement choisis. Des méthodes mathématiques et numériques adaptées à leur modélisation sont utilisées, afin de répondre aux problèmes posés par la non-linéarité des équations et la configuration particulière de l'espace des paramètres, qui est à la fois vaste et constitué de nombreux minima locaux.<br /> <br /> Une planète extra-solaire peut être détectée par cette technique si sa présence produit une déviation dans la courbe de lumière produite par son étoile-hôte. L'un des points forts de cette méthode réside dans sa capacité à mettre au jour des exoplanètes en orbite à quelques unités astronomiques et de masse aussi petite que celle de la Terre, grâce aux caustiques gravitationnelles produites par la planète. Ces dernières peuvent engendrer un pic d'amplification secondaire significatif, si la source vient à les traverser. La découverte de l'exoplanète OGLE 2005-BLG-390Lb porte à trois le nombre de détections par effet de microlentille ; elle est présentée ici. Outre le fait d'être à ce jour la planète la moins massive détectée - environ cinq fois la Terre - elle se situe à une distance appréciable de son étoile-hôte, soit trois unités astronomiques. <br /> <br /> Les observations réalisées sont également mises à profit afin de poser des limites à l'abondance de planètes extra-solaires autour d'étoiles naines rouges. Pour une sélection de microlentilles observées entre 1995 et 2004 et qui ne présentent pas de signature planétaire évidente, des diagrammes d'efficacité de détection sont calculés selon une méthode décrite ici. Les résultats obtenus forment alors la base de l'étude statistique.<br /> <br /> Enfin, un effet d'amplification différentielle du disque de l'étoile-source, lorsque cette dernière traverse une caustique, est exploité afin de sonder l'atmosphère d'étoiles géantes du Bulbe. Les mesures de coefficients d'assombrissement centre-bord de plusieurs étoiles sont rapportées et comparées aux prédictions des modèles. En outre, grâce à un suivi spectroscopique à haute résolution spectrale, il a été possible de confronter aux modèles les mesures de largeur équivalente de raies spectrales en plusieurs points du disque d'une géante G5III du Bulbe, à 9 kpc, et d'en détecter directement la chromosphère.

Le signal thermique d'une exoplanète tellurique est une clé pour caractériser les propriétés physiques et chimiques de son atmosphère. La résolution spectrale, et donc la caractérisation spectrale que nous pouvons réaliser des planètes extrasolaires, est malheureusement très limité, en particulier pour les planètes similaires à la Terre. Dans cette thèse, j'ai étudié la possibilité de caractériser des exoplanètes telluriques par l'analyse de la variabilité de son émission infrarouge. L'émission thermique apparente est en effet modulée par les saisons, la rotation de la planète, le mouvement et la variabilité des nuages, la phase orbitale, et aussi par la présence des satellites naturels.Premièrement, nous avons étudié l' émission thermique de la Terre vue en tant que point-source distante, ainsi que la variabilité et la dépendance du signal de la géométrie d'observation. J'ai modélisé l'émission de la Terre à l'aide des données satellitaires et des données produites par des modèles de circulation général (GCMs) du Laboratoire de Météorologie Dynamique de Paris (LMD), en comparant les deux types de données afin de valider les simulations.Pendant la deuxième partie de mon travail, j'ai utilisé des donnés du GCM pour modéliser des planètes telluriques qui diffèrent de la Terre par seulement un ou deux paramètres tels que: la vitesse de rotation (y compris des planètes synchrones), une surface planétaire entièrement recouverte par la glace ou de l'eau, l'obliquité de l'axe de rotation ou l'excentricité de l'orbite. Pour toutes ces planètes virtuelles, j'ai étudié le climat, déduit les propriétés physiques de la planète, et produit et analysé les signaux intégrés associés à différentes géométries d'observation.La dernière partie de la thèse est un travail préliminaire qui consiste en ne plus considérer l'émission bolométrique mais le signal de bandes spectrales étroites, grâce à une nouvelle génération de GCM. Parce que chaque bande explore un niveau spécifique dans l'atmosphère, l'étude de la variation du spectre en comparant les variabilités photométriques entre les bandes, permet d'étudier la dynamique, la composition, la distribution et l'évolution de l'atmosphère de la planète, ce qui ouvre un champ encore inexploré pour la caractérisation des exoplanètes.

Plus d'un millier d'exoplanètes ont été découvertes depuis une dizaine d'années. Plus incroyable encore, nous pouvons maintenant caractériser les atmosphères de ces mondes lointains. Des spectres de Jupiter-chauds tels que HD 189733b et HD 209458b et de planètes similaires à Neptune telles que GJ1214b sont déjà disponibles et ceux de planètes plus petites le seront bientôt. La plupart des observations caractérisent l'état moyen de l'atmosphère. Pour les cas les plus favorables, l'observation des courbes de phase et la technique de cartographie par éclipse secondaire permettent d'obtenir une résolution en longitude et en latitude. Les planètes les plus proches de leurs étoiles sont aussi les plus faciles à observer. Ces mondes chauds sont radicalement différents des exemples que nous avons dans le système solaire. Modéliser correctement leurs atmosphères est un défi à relever pour comprendre les observations présentes et à venir. Durant cette thèse, j'ai développé des modèles de différente complexité pour comprendre les interactions entre la structure thermique, la composition, la circulation atmosphérique et l'évolution à long terme des exoplanètes irradiées. La forte luminosité de leur étoile hôte détermine le climat de ces planètes. Elle engendre une circulation atmosphérique qui maintient l'atmosphère dans un état de déséquilibre thermique et chimique, affectant son évolution. Avec les futurs instruments de nombreuses autres planètes vont être découvertes et caractérisées. Nos modèles seront testés sur une large diversité de planètes, ouvrant les portes de la climatologie aux exoplanètes.

Dans le cadre de ma thèse, j’ai analysé les spectres de neuf étoiles Kepler obtenus avec les relevés de vitesse radiale (VR). Cela a permis la caractérisation de leur compagnons planétaires. J’ai analysé les spectres de 21 autres étoiles CoRoT et Kepler, probablement hôtes de naines M à faible masse. Cela a permis d’'élargir l'échantillon des étoiles à faible masse avec masse et rayon mesurés. J’ai calculé l’indice d’activité chromosphérique de 31 étoiles observées avec SOPHIE/OHP, en aidant l’étude des interactions étoile-planète. J’ai étudié le comportement de SOPHIE à bas signal à bruit (S/B). J’ai déterminé l’intervalle de S/B dans lequel un spectre stellaire est fiable pour la mesure des paramètres stellaires.Dans le cadre du consortium SOPHIE, j’ai suivi l’analyse complète du système Kepler-117. Ce système multi-planétaire montre variations des périodes orbitaux dues aux échanges dynamiques entre les planètes (TTV). Pour déterminer les paramètres du système, un approche spécifique a été développé pour l’ajustement simultané de transits, VR et TTV (Bruno et al. 2015).Finalement, je me suis intéressé à l’activité stellaire dans la photométrie de transit. J’ai impl ́ementé deux logiciels de modélisation de tâches stellaires dans un code MCMC, en ajoutant l’évolution des tâches dans l’un d’eux. J’ai appliqué les logiciels au Soleil, à CoRoT-7 et à CoRoT-2. J’ai amené un étude détaillé de la courbe de lumière de CoRoT-2, et exploré les effets des tâches dans les paramètres du transit (Bruno et al., en prep.). Avec la méthode FF’ (Aigrain et al. 2012), j’ai contribué à l’exploration du lien entre la signature des tâches de CoRoT-7 et dans la photométrie et dans les VR. / During my PhD, I analyzed the spectra of nine Kepler stars obtained by radial velocity (RV) observations. This allowed the characterization of their planetary companions. I analyzed the spectra of twenty-one other CoRoT and Kepler stars, likely orbited by low-mass M dwarfs. This helped widening the sample of low-mass stars with measured mass and radius. I calculated the chromospheric activity indfex of thirty-one stars observed with SOPHIE/OHP, helping the study of star-planet interactions. I studied the behavior of SOPHIE in low signal-to-noise ratio (SNR) regime. I determinhed the SNR range in which a stellar spectrum is reliable for the measure of the stellar parameters.Within the SOPHIE consortium, I followed the complete analysis of the Kepler-117 system. This multi-planetary system presents variations in the planetary orbital periods due to their mutual dynamical interacion (TTVs). To fit the system parameters, a specific fitting approach including TTV modeling was developed. We derived the system parameters by the simultaneous fit of transits, RVs, and TTVs (Bruno et al. 2015).Finally, I addressed the problem of stellar activity in transit photometry. I implemented two starspot modeling codes into an MCMC algorithm, adding spot evolution to oneof them. I applied the codes to the Sun, CoRoT-7, and CoRoT-2. I carried an extensive study on the light curve of CoRoT-2, and explored the effects of the spots on the transit parameters (Bruno et al., in prep.). With the FF’ method (Aigrain et al. 2012), I contributed to explore the connection between the photometric and RV signature of starspots in CoRoT-7.

Imager une exo-terre à proximité d’une étoile est une tâche complexe : le signal de la planète est noyé dans le flux immense de l’étoile, très proche. Doivent donc être combinés :- de grands télescopes spatiaux segmentés. La segmentation du miroir primaire facilite le transport mais crée des erreurs liées à l’alignement.- un coronographe, permettant d’éteindre la lumière stellaire. - enfin, toute aberration optique crée un résidu lumineux nuisible dans l’image. La mesure et le contrôle des aberrations d’un système coronographique, notamment celles liées à la segmentation du télescope, sont donc primordiaux et constituent le sujet de ma thèse.Tout d’abord, j’ai développé PASTIS, un modèle simplifié du contraste d’un coronographe en présence d’une pupille segmentée, permettant d’analyser facilement les performances pour contraindre les aberrations optiques lors du design de l’instrument. PASTIS prend en compte les spécificités des instruments : structure de la pupille, aberrations optiques dues à la segmentation, coronographe. Je l’ai appliqué au télescope LUVOIR afin d’analyser les modes limitant le contraste et ainsi mieux répartir les contraintes sur les segments. Par la suite, j’ai travaillé sur l’analyse de front d’onde coronographique en présence d’un télescope segmenté sur le banc expérimental HiCAT avec une première démonstration de l’analyseur COFFEE permettant de reconstruire les erreurs de phasage avec une grande précision. Enfin, j’ai mené une analyse comparative des multiples méthodes de contrôle de front d’onde existantes et validé l’une d’elles (Dark Hole Non Linéaire) expérimentalement dans un cadre simplifié sur le banc MITHIC du LAM / Direct imaging of exo-Earths is extremely complex: the star is by far brighter and very close to the planet. Several tools have to be combined:- a giant primary mirror. For manufacturing and transportation reasons, we tend to use segmented mirrors, ie. mirrors made of smaller mirrors but that have to be well-aligned and stabilised.- a coronagraph, enabling to remove the starlight.- the smallest residual wavefront aberration into residual light that decreases the image quality. The measurement and control of the aberrations, including the ones due to the telescope segmentation, are crucial and consist in the topic of my thesis.First, I developed PASTIS, a model of the contrast of a coronagraphic system in presence of a segmented pupil, enabling to analyze the performance to set up constraints on the optical aberrations during the instrument design. PASTIS takes into account the specificities of high-contrast instruments: pupil structure, optical aberrations due to the segmentation, coronagraph. I applied it to the LUVOIR telescope to analyze the main modes limiting the contrast and therefore optimizing the repartition of the constraints on the segments. In parallel, I worked on the analysis of the coronagraphic wavefront in presence of a segmented telescope on the experimental testbed called HiCAT, with a first demonstration of the COFFEE sensor enabling to reconstruct phasing errors with a high precision.Eventually, I ran a comparative analysis of existing methods of wavefront control and experimentally validated one of them (Non Linear Dark Hole) in a simplified case on the MITHIC testbed at LAM

Les atmosphères de Jupiter chaudes reçoivent des quantitées extrêmes de radiation de leur étoile hôte, ce qui nous permet d’étudier les processus chimiques et dynamiques d’atmosphères dans un régime d’énergie qui n’est pas accessible par l’étude du système solaire. La spectroscopie de transit et d’éclipse secondaire permet la caractérisation de ces atmosphères. Toutefois, ces méthodes ne considèrent pas la variation spatiale des abondances moléculaires, du profil de température et des nuages dans l’atmosphère. À l’aide de la méthode de cartographie par éclipse secondaire à plusieurs longueurs d’ondes, il est possible de mesurer la distribution spatiale des paramètres atmosphériques. À ce jour, cette méthode n’a été appliquée qu’à la Jupiter chaude HD 189733 b à partir d’observations photométriques du télescope spatial Spitzer à 8 μm. Avec le lancement prochain du JWST, des observations à haute précision spectrophotométrique sont attendues, ce qui renforce le besoin pour une méthode permettant la simulation et l’analyse statistique d’observations d’éclipse secondaire à plusieurs longueurs d’ondes. Nous présentons une nouvelle méthode afin de simuler des courbes de lumière à plusieurs longueurs d’ondes, ainsi qu’une méthode statistique pour déterminer la distribution atmosphérique à partir d’observations. La simulation des courbes de lumière à plusieurs longueurs d’ondes est discrétisée pour permettre le calcul rapide des modèles nécessaire à l’analyse statistique d’observations. Nous appliquons cette méthode à des observations simulées de JWST NIRSpec pour la planète WASP-33 b à diverses distributions spatiales de coefficient de dissociation de l’eau. Nos résultats indiquent que 5 observations d’éclipse secondaire sont suffisantes pour mesurer la distribution spatiale du coefficient de dissociation de l’eau en longitude et latitude. L’application de la méthode de cartographie par éclipse secondaire à plusieurs longueurs d’ondes va permettre d’appronfondir d’avantage notre connaissance des processus dynamiques des atmosphères de Jupiter chaudes. / Hot Jupiter atmospheres, receiving extreme amounts of irradiation from their host star, enable us to study the atmospheric chemistry and dynamics of atmospheres at regimes that would otherwise be inaccessible from solar system observations. Transmission and emission spectroscopy of these atmospheres enables their characterization. However, these methods do not consider the spatial distribution of the molecular abundances, temperature profile, and clouds. Using multi-wavelength secondary eclipse mapping, it is possible to measure the spatial distribution of the atmospheric parameters. Secondary eclipse mapping has only been applied for photometric Spitzer/IRAC 8 μm observations of HD 189733 b so far. With the imminent launch of JWST, high-precision spectrophotometric observations of hot Jupiters are expected, reinforcing the need for a framework that can simulate and retrieve secondary eclipse mapping observations. We present a novel method to simulate secondary eclipse light curves for non-uniform atmospheres at multiple wavelengths, as well as a statistical method to retrieve the distribution from observations. The simulation of the multi-wavelength light curves is discretized to enable the fast computation necessary for statistical analysis of observations. We apply these methods to simulated JWST NIRSpec observations of WASP-33 b for various distributions of the water dissociation coefficient and conclude that 5 secondary eclipse observations are sufficient to constrain significant spatial variations in longitude and latitude. The application of the multi-wavelength secondary eclipse mapping to JWST will further deepen our understanding of the atmospheric dynamics processes to which hot Jupiter atmospheres are subjected.