abstract: The field of exoplanet science has matured over the past two decades with over 3500 confirmed exoplanets. However, many fundamental questions regarding the composition, and formation mechanism remain unanswered. Atmospheres are a window into the properties of a planet, and spectroscopic studies can help resolve many of these questions. For the first part of my dissertation, I participated in two studies of the atmospheres of brown dwarfs to search for weather variations. To understand the evolution of weather on brown dwarfs we conducted a multi-epoch study monitoring four cool brown dwarfs to search for photometric variability. These cool brown dwarfs are predicted to have salt and sulfide clouds condensing in their upper atmosphere and we detected one high amplitude variable. Combining observations for all T5 and later brown dwarfs we note a possible correlation between variability and cloud opacity. For the second half of my thesis, I focused on characterizing the atmospheres of directly imaged exoplanets. In the first study Hubble Space Telescope data on HR8799, in wavelengths unobservable from the ground, provide constraints on the presence of clouds in the outer planets. Next, I present research done in collaboration with the Gemini Planet Imager Exoplanet Survey (GPIES) team including an exploration of the instrument contrast against environmental parameters, and an examination of the environment of the planet in the HD 106906 system. By analyzing archival HST data and examining the near-infrared colors of HD 106906b, we conclude that the companion shows weak evidence of a circumplanetary dust disk or cloud. Finally, I measure the properties of the low mass directly imaged planet 51 Eridani b. We combined published J, H spectra with updated LP photometry, new K1, K2 spectra, and MS photometry. The new data confirms that the planet has redder than similar spectral type objects, which might be due to the planet still transitioning from to L-to-T. Model atmospheres indicate a cooler effective temperature best fit by a patchy cloud atmosphere making 51 Eri b an excellent candidate for future variability studies with the James Webb Space Telescope. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Astrophysics 2017

This thesis provides a multi-pronged approach towards paving the way for future space and ground based exoplanet characterisation e↵orts as well as providing new analysis of the atmosphere of the exoplanet HD 179949 b. This is done, firstly, by outlining engineering trade studies conducted for the attitude and orbit control system (AOCS) and sun shield for the Exoplanet Characterisation Observatory (EChO) spacecraft (a proposed European Space Agency exoplanet space mission). These trade studies were conducted in collaboration with EADS Astrium. A cold gas system with the possibility of a hybrid system which would include the use of reaction wheels is recommend for the design of the AOCS. For the sun shield, a V-groove cone shield is concluded to provide the best thermal coverage while also providing stay light protection as well as being more mechanically symmetric than other options. Simulations are then conducted to determine the number of transiting planets future surveys should expect to find around stars within 50 parsecs of the sun. This is done by taking the known stars within 50 parsecs and adding a simulated planet population based on current models and observations to each star. Assumptions are made regarding observability of a planetary transit and a Monte Carlo simulation run to gain statistics on the number and type of planetary systems that can be expected to be found. The results of the simulation show a mean expected number of 27 detectable transiting planets within 50 parsecs. Next, using the Position and Proper Motion Extended-L (PPMXL) catalogue, optical and near-infrared colour cuts were used together with a reduced proper motion cut to find bright M dwarfs for future exoplanet transit studies. PPMXL’s low proper motion uncertainties allow this work to probe down to smaller proper motions than previous similar studies. Unique objects found with this method were combined with that of previous work to produce 8479 K < 9 M dwarfs. Low-resolution spectroscopy was obtained of a sample of the objects found using this selection method to gain statistics on their spectral type and physical properties. Results show a spectral-type range of K7-M4V. This catalogue is the most complete collection of K < 9 M dwarfs currently available and is made available here. High resolution spectroscopy and model spectra of planetary atmospheres is then used along with a spectral deconvolution technique to attempt to detect the Doppler shifted signal of the non-transiting planet HD 179949 b. The signal was not detected but new upper limits were set ruling out the presence of TiO down to a log10 ✏0 = -4.09 with 99.9 per cent confidence. Simulations conducted by this work imply a loss of sensitivity occurring possibly due to varying telluric interference or instrumental systematics.

Brown dwarfs are substellar objects that fall in-between the smallest stars and largest planets in size and temperature. Due to their relatively cool temperatures, the atmospheres of these 'failed stars' have been shown to exhibit interesting properties such as iron, silicate, and salt clouds. Theoretical atmospheric models based on known physics and chemistry can be used as tools to interpret and understand our observations of brown dwarfs. I have fit archival and new infrared spectra of over 300 brown dwarfs with atmospheric models. Using the parameters of the best-fit models as estimates for the physical properties of the brown dwarfs in my sample, I have performed a survey of how brown dwarfs evolve with spectral type and temperature. I present my fit results and observed trends. I use these fit results to note where current atmospheric models are able to well-replicate the data and where the models and data conflict.

L'étude des exoplanètes et de leur atmosphère a connu une croissance fulgurante dans les deux dernières décennies. Les observations spectrophotométriques à partir d'observatoires spatiaux comme Hubble ont permis d'apporter certaines contraintes sur les phénomènes physiques et la composition de leur atmosphère, notamment grâce à la spectroscopie d'éclipse. Ces découvertes concernent généralement les planètes les plus favorables à cette technique, dont font partie les Jupiter chaudes. Cependant, les conclusions tirées à partir telles observations comportent leur lot de dégénérescences, causées par leur faible résolution spectrale, leur couverture restreinte en longueurs d'onde et leur précision photométrique limitée. Ces lacunes peuvent être corrigées en partie grâce à la complémentarité des spectrographes à haute résolution basés au sol ainsi qu'à l'aide du nouveau télescope spatial James Webb (JWST). Cette thèse présente, en premier lieu, une des premières analyses combinées d'observations spectrophotométriques prises avec l'instrument Wide Field Camera 3 de Hubble et d'observations à haute résolution avec l'instrument SPIRou (SpectroPolarimètre InfraRouge) du télescope Canada-France-Hawaï. Cette analyse avait pour cible le côté jour de la Jupiter ultra chaude WASP-33b, la deuxième exoplanète la plus chaude connue à ce jour. Aux températures se retrouvant dans l'atmosphère de WASP-33b, avoisinant les 3000 K, des molécules comme l'eau ne peuvent demeurer stables. Cependant, le CO, beaucoup plus résistant à la dissociation thermique, reste observable. Les données de SPIRou ont donc permis de confirmer la détection des raies d'émission du CO, en accord avec deux précédentes études. La combinaison avec les données de Hubble a aussi mené à l'obtention d'un premier estimé de son abondance avec un rapport de mélange volumique de logCO = -4.07 (-0.60) (+1.51). De plus, cette analyse a pu améliorer les contraintes sur la structure verticale en température et confirmer la présence d'une stratosphère. Des limites supérieures sur d'autres molécules comme l'eau, le TiO et le VO ont aussi pu être établies. En second lieu, un algorithme d'extraction spectrale intitulé ATOCA (Algorithme de Traitement d'Ordres ContAminés) est présenté. Celui-ci est dédié au mode d'observation SOSS (Single Object Slitless Spectroscopy) de l'instrument NIRISS (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph), la contribution canadienne à JWST. Ce mode d'observation couvre une plage de longueurs d'onde allant de 0,6 à 2,8 um simultanément grâce à la présence des deux premiers ordres de diffraction sur le détecteur. La nécessité d'un nouvel algorithme provient du fait que ces deux ordres générés par le « grisme » du mode SOSS se chevauchent sur une petite portion du détecteur. En conséquence, la région de l'ordre 1 couvrant les plus grandes longueurs d'onde (1,6–2,8 um) est contaminée par l'ordre 2 couvrant l'intervalle entre 0,85 et 1,4 um. ATOCA permet donc de décontaminer chacun des ordres en construisant d'abord un modèle linéaire de chaque pixel individuel du détecteur, en fonction du flux incident. Ce flux peut ensuite être extrait simultanément pour les deux ordres en comparant le modèle aux observations et en solutionnant le système selon un principe de moindres carrés. Ces travaux ont pu montrer qu'il est possible de décontaminer en dessous de 10 ppm pour chaque spectre individuel. / In the last decades, the research on exoplanets and their atmosphere has grown phenomenally. Space based observatories with spectrophotometric capabilities like Hubble allowed to put some constraints on the physical processes occuring in exoplanets’ atmosphere and their chemical composition. These discoveries concern mainly the hotter and larger planets, such as Hot Jupiters, which are the most favorable for atmospheric characterization. However, due to their low spectral resolution and their limited wavelength range and photometric accuracy, the scientific conclusions based on these observations can be degenerate. Some of these degeneracies can be lifted with the use of ground-based high-resolution spectrographs or the new James Webb Space Telescope (JWST). On the one hand, this thesis present one of the first analysis combining Hubble’s spectrosphometric data and high-resolution observations obtained with SPirou (SpectroPolarimètre InfraRouge) at the Canada-France-Hawai telescope. This analysis targeted the dayside of the Ultra Hot Jupiter WASP-33 b, the second-hottest exoplanet known to date. WASP-33 b atmosphere can reach temperatures high enough (≥ 3000 K) to dissociate molecules such as water. However, CO, which is much more resistant to thermal dissociation, remains observable. SPIRou’s observations allowed us to confirm the presence of CO emission lines in WASP-33 b emission spectrum, in agreement with two previous studies. With the addition of published Hubble data, we were able to push further and provide the first estimate CO abundance, with a volume mixing ratio of log10 CO = ≠4.07+1.51 ≠0.60. On the other hand, this thesis propose a new spectral extraction algorithm called ATOCA (Algorithm to Treat Order ContAmination) specifically designed for the SOSS (Single Object Slitless Spectroscopy) mode of the NIRISS instrument (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph), the Canadian contribution to JWST. This observing mode covers the wavelength range spaning from 0.6 to 2.8 µm simultaneously, due to the presence of the two first diraction orders on NIRISS detector. The need for a new algorithm arises from the fact that these orders, originating from SOSS “grism”, overlap on a small portion of the detector. Consequently, the region of order 1 covering the longest wavelengths (1.6–2.8 µm) is contaminated by the signal from order 2 between 0.85 and 1.4 µm. Hence, ATOCA allows to decontaminate both orders by first building a linear model of each individual pixel of the detector, with the incident flux as an independant variable. This flux is then extracted simultaneously for the two orders by comparing the model to the detector image and by solving the system for the best least square fit. This work has shown that ATOCA can reduce the contamination level below 10 ppm for each individual spectrum.

L’objectif principal de cette thèse est de caractériser l’atmosphère de Jupiters chaudes par spectroscopie de transmission à haute résolution, dans l’infrarouge proche, avec l’instrument SPIRou. L’historique de formation, d’évolution et de migration des planètes est empreint dans leur composition chimique, et de retrouver cette composition permet d’en élucider le mystère. La spectroscopie de transit et d’émission a prouvé être fortement efficace à cette tâche, autant pour la détermination de la composition que pour la détermination d’autres caractéristiques atmosphériques comme le profil de température et la dynamique, accessibles à haute résolution. Les Jupiter Chaudes, planètes géantes gazeuses qui orbitent très près de leur étoile, offrent des conditions d’observations très favorables pour ce type d’étude. Encore beaucoup d’éléments nous échappent quant aux processus physiques, chimiques et dynamiques qui gouvernent l’atmosphère de ces objets astronomiques. Des études détaillées de ceux-ci, telles que celles présentées dans cette thèse, sont nécessaires pour mieux comprendre ces mécanismes. Dans un premier temps, nous avons fait l’étude de deux transits de HD 189733 b, une des exoplanètes les plus étudiées. Cela nous a permis de valider nos méthodes d’analyse avec des données provenant du spectropolarimètre infrarouge à haute résolution SPIRou, installé au télescope Canada-France-Hawaii, représentant d’ailleurs la première caractérisation d’une atmosphère en spectroscopie de transit pour le SPIRou Legacy Survey. Nous avons confirmé la présence d’un signal d’eau à un niveau de signification de plus de 5σ, basé sur les résultats de test-t. Nous présentons la première analyse de spectroscopie de transit haute résolution faite par méthode de récupération, basée sur l’inférence bayésienne et appliquée à une grille de modèles SCARLET interpolée. Celle-ci a permis d’inférer une abondance de log_10[H2O] ≃ −4.4. Les résultats obtenus sont cohérents avec la littérature et indiquent que l’atmosphère de HD 189733 b est relativement claire (sans nuages) et possède un C/O super-solaire (correspondant à une formation au-delà de la ligne de glace de l’eau). Un fort décalage vers le bleu de l’absorption par l’eau a été observé, indiquant la présence de forts vents allant du côté jour vers le côté nuit ou un signal dominé par le côté soir du terminateur (limbe arrière), ou une combinaison des deux. Dans un second temps, nous présentons la première analyse à haute résolution dans l’infrarouge proche de trois transits de la très peu dense sous-Saturne WASP-127 b. Une étude récente à basse résolution a montré un spectre de transmission riche et une abondance super-solaire de CO2 dans son atmosphère. La contribution de CO et de CO2 n’a cependant pu être démêlée étant donné la couverture spectrale et la résolution limitée des données HST et de Spitzer utilisées, menant à des scénarios équiprobables de faible et fort C/O. La couverture de la bande de CO à 2.3 μm par SPIRou a permis de faire cette différenciation, et nos résultats ont exclu la présence de CO en abondance supérieure à log_10[CO] = −4.3, impliquant que le signal détecté à 4.5μm dans les données Spitzer provient majoritairement du CO2. De plus, un calcul de test-t sur les données SPIRou a confirmé la détection de H2O à un niveau ajusté de 4.9σ, mais également une détection potentielle de OH, à 2.4σ. Cette présence extrêmement inattendue de OH pourrait potentiellement être expliquée si la température du côté jour est assez grande, aidée par l’irradiation amplifiée de l’étoile qui quitte la séquence principale, ou encore par du mélange vertical. Nous présentons également la première méthode de récupération complète appliquée à la spectroscopie de transit à haute résolution, en utilisant la suite de modèles petitRADTRANS, et sur trois ensembles de données différents : les données SPIRou, les données HST et Spitzer de l’étude initiale, et les deux ensembles de données combinés. Une comparaison des différents résultats obtenus confirme que l’analyse conjointe permet d’avoir de meilleures contraintes sur les paramètres atmosphériques. Alors que l’étude initiale favorisait un fort C/O, nos résultats pointent vers un C/O très sous-solaire, produit par un C/H sous-solaire et un O/H plutôt stellaire. Les scénarios de formation qui supportent une telle composition sont ceux au-delà des lignes de glace de H2O et de CO2 (∼ 10ua), avec une accrétion supplémentaire de matériel riche en O via la migration et le croisement des lignes de glaces. L’accrétion du matériel est soit dominée par le gaz et tardive (après 5 à 7 millions d’années), ou encore, mixte (de gaz et de glaces) et plus précoce, avec un mélange cœur-enveloppe substantiel. Bien qu’il en reste beaucoup à faire, ces travaux de recherche ont démontré que la spectroscopie de transit à haute résolution dans l’infrarouge proche est utile pour explorer les conditions atmosphériques des Jupiter et sous-Saturne chaudes, et plus spécifiquement, avec l’instrument SPIRou. La combinaison de données à faible et à haute résolution s’avère un outil très puissant pour l’étude des atmosphères, et le sera encore plus avec les capacités révolutionnaires de JWST. / The main objective of this thesis is to characterize the atmosphere of hot Jupiters with high resolution transmission spectroscopy in the near-infrared with the SPIRou instrument. The formation, evolution and migration history of exoplanets is imprinted in their chemical composition, and finding this composition makes it possible to trace back this history. Transit and emission spectroscopy have proven to be highly effective for this task, in the determination of the composition, but also of other atmospheric characteristics such as the temperature profile and the dynamics, accessible at high resolution. Hot Jupiters -- gas giant planets orbiting very close to their star -- offer highly favourable observation conditions for this type of study. Many pieces of the puzzle are still missing regarding the physical, chemical and dynamical processes that govern the atmospheres of these astronomical objects, and detailed studies, such as the ones presented in this thesis, are necessary to better understand those mechanisms. First, we present the results of our analysis of two HD189733b transits, one of the most studied exoplanets to date. This study allowed to validate our analysis method with SPIRou data, a high-resolution near-infrared spectro-polarimeter installed at the Canada-France-Hawaii Telescope. It also represents the first characterization of an atmosphere with transit spectroscopy as part of the SPIRou Legacy Survey. Our results confirmed the H2O detection in the planet's atmosphere at a 5 sigma level, based on a $t$-test. We present the first analysis of a Bayesian retrieval framework applied to high-resolution transmission spectroscopy, using a grid of SCARLET models. We constrained the H2O abundance to log_10[H2O] ~ -4.4$. The results are consistent with the literature and agree on the atmosphere of HD189733b being relatively clear (without clouds) and having a super-solar C/O (corresponding to a formation beyond the H2O ice line). A strong blue shift of the water absorption signal was observed, indicative of strong day-to-night winds or a signal dominated by the terminator's evening side (trailing limb), or a combination of both. Second, we present the first high-resolution analysis in the near-infrared of three transits of the super low-density sub-Saturn WASP-127b. A recent low-resolution study showed a rich transmission spectrum and super-solar abundance of CO2 in its atmosphere. However, the contribution of CO and CO2 could not be disentangled given the limited spectral coverage and resolution of the HST and Spitzer data, leading to equiprobable low and high C/O scenarios. The coverage of the CO band at 2.3um by SPIRou made it possible to differentiate between the two cases, and our results excluded CO abundances greater than 10^(-4.3), implying that the signal at 4.5um seen in the Spitzer data mostly comes from CO2. Moreover, a t-test analysis on the SPIRou data confirmed the detection of H2O at an adjusted level of 4.9 sigma, but also a tentative detection of OH, at 2.4 sigma. The presence of OH, although extremely unexpected, could potentially be explained from a high enough dayside temperature, increased by the amplified irradiation of the star leaving the main sequence, or from vertical mixing. We also present the first full-retrieval framework applied to transmission spectroscopy at high resolution, using the petitRADTRANS model suite on three different datasets: on the SPIRou data, on the HST and Spitzer data from the original study, and on both datasets combined. A comparison of the different results obtained confirms that the joint analysis provides better constraints on the atmospheric parameters. While the initial study favored a high C/O, our results point toward a highly subsolar C/O, produced by a sub-stellar C/H and a roughly stellar O/H. Formation scenarios that support such a composition are those beyond the H2O and CO2 ice lines (~ 10ua), with further accretion of O-rich material via migration and ice lines crossing. The primordial/bulk accretion was either gas-dominated and late (after 5-7 Myr), or earlier and mixed (with gas and ice), with substantial core-enveloppe mixing. Although much remains to be done, this research work has demonstrated that high-resolution near-infrared transit spectroscopy is useful for exploring the atmospheric conditions of hot Jupiters and sub-Saturns, and more specifically, with the SPIRou instrument. The combination of low and high resolution data has shown to be a very powerful tool for such studies, and will be even more so with the revolutionary capabilities of JWST.