Since the discovery of the first exoplanet orbiting a sun-like star in 1995, the fundamental questions as to the formation of our Solar System have met a paradigm shift. The presence of hot Jupiter exoplanets, Jupiter sized worlds rapidly orbiting their host stars, was unlike anything previously seen or predicted. The later discovery of these strange new worlds transiting their stars opened up a new realm of studies into their atmospheres using transit spectroscopy to separate the signals between the star and planetary atmosphere. This thesis investigates the transmission spectral properties of hot Jupiter exoplanets through observations and theoretical analysis from the search for H2O in the near-IR to the signatures of cloud condensates in the IR. Hubble Space Telescope (HST) Wide Field Camera 3 (WFC3) observations of transiting hot Jupiters were used to investigate the atmospheric composition over water bands in the near infrared. We put forward a new analysis method to treat the varying systematics seen across transit datasets in a consistent and robust way, in which we marginalise over a grid of possible systematic models used to correct the lightcurves, with each model contributing to the extracted spectrum based on its statistical likelihood. We apply this new method to five previously studied hot Jupiter exoplanet transmission spectra and make direct comparisons between the planetary atmospheres. An apparent dichotomy emerges between two possible sub-classes of hot Jupiter atmospheres with clouds and hazes playing a key role. WFC3 appears to cover a critical wavelength range in exoplanet atmospheres where clouds and hazes potentially obscure the expected molecular signatures in systems where they are found to be obscured in the optical. Using analytical models following Mie theory, we explore the potential atmospheric transmission spectral signatures that would be caused by a variety of cloud condensates in hot Jupiter atmospheres. We find that the observed optical slope representing Rayleigh scattering at high altitudes can constrain the cloud condensate particle size and can be used as a diagnostic for potential condensate features in the IR where almost all condensate absorption features occur. We find that the major transmission spectral absorption features are generated by the vibrational modes of the major diatomic bond pair in each condensate species, which is often seen in the IR at 5-25 microns, and explore the potential for future JWST investigations using MIRI.

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La première partie de cette thèse présente une modélisation des émissions aurorales de Jupiter dans l'ultraviolet. Le but de ce travail est de quantifier comment ces émissions permettent de contraindre l'énergie des électrons qui précipitent dans la haute atmosphère polaire de la planète. Deux types d'émissions sont étudiés : celle de la raie Lyman alpha de l'hydrogène atomique ainsi que celles de H2. Les précipitations d'électrons aurorales sont modélisées à l'aide d'un code de transport cinétique. Le profil et l'intensité de la raie H Lyman alpha sont obtenus avec un code de transfert radiatif. Des spectres synthétiques des émissions de H2 sont calculés. En étudiant la variabilité des raies en fonction de l'énergie des électrons nous montrons que seules des observations à très haute résolution permettront de contraindre fortement les précipitations d'électrons. La deuxième partie de cette thèse présente la première modélisation de l'émission H Lyman alpha d'un Jupiter chaud jamais réalisée. Si elle était détectée, cette raie permettrait de caractériser l'environnement des planètes extrasolaires. L'émission de l'étoile est beaucoup plus intense que celle de la planète, ce qui rend la détection de la raie planétaire très difficile. Les seules estimations de contraste qui avaient été réalisées jusqu'à présent découlaient d'extrapolations basées sur l'émission de Jupiter. Nous introduisons ici des outils appropriés au calcul des émissions des Jupiter chauds, en tenant compte des spécificités de leur haute atmosphère, et notamment leur forte ionisation et leurs températures qui dépassent les 10 000 K. Nous évaluons l'émission Lyman alpha de deux Jupiter chauds, en tenant compte de plusieurs sources d'excitation des particules : les émissions aurorales et thermiques sont calculées, ainsi que l'émission excitée par le rayonnement de l'étoile. Nous montrons que, dans le cas du Jupiter chaud HD 209458b, la détection de l'émission planétaire n'est pas possible avec les instruments actuels. En revanche la raie Lyman alpha du Jupiter chaud HD 189733b semble pouvoir être détectée avec l'instrument STIS du télescope spatial Hubble. / The first part of this thesis describes a modeling of the auroral emission of Jupiter in the ultraviolet. The aim of this work is to quantify how these emissions allow to constrain the energy of the electrons that precipitate in the upper atmosphere of the planet at polar latitudes. Two kinds of emissions are studied : the one of the Lyman alpha line of atomic hydrogen and those of H2. The auroral electron precipitation is modeled with a kinetic transport code. The H Lyman alpha line profile and intensity are obtained with a radiative transfer code. Synthetic spectra of H2 emissions are calculated. By studying the variability of the lines as a function of the energy of the precipitating electrons, we show that only high resolution observations will allow to put strong constraints on the electron precipitation. The second part of this thesis presents the first calculation of the H Lyman alpha emission of a hot Jupiter ever realized. If it were detected, this line would allow to constrain the environment of the extrasolar planets. The stars' emission is much more intense than that of the planet, which transforms the detection of the planetary line in a very difficult challenge. Up to now, the only estimations of contrast that have been realized are based on extrapolations of Jupiter's emission. Here we present tools that are adequate to calculate the emission of hot Jupiters. They take into account the particularities of their atmosphere, like their high ionization degree and their temperatures that exceed 10,000 K. We calculate the Lyman alpha emission of two hot Jupiters, by taking into account the auroral, thermal and dayglow contributions. In the case of the hot Jupiter HD 209458b, we show that current facilities do not allow to detect the planetary emission. On the other hand, the detection of the Lyman alpha line of the planet HD 189733b seems to be within reach of the Hubble Space Telescope.

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. / More than a thousand exoplanets have been discovered over the last decade. Perhaps more excitingly, probing their atmospheres has become possible. We now have spectra of hot Jupiters like HD 189733b and HD 209458b, of Neptune-like planets like GJ1214b and even smaller planets are within reach. Most exoplanet atmospheric observations are averaged spatially, often over a hemi- sphere (during secondary eclipse) or over the limb of the planet (during transit). For favorable targets, longitudinal and latitudinal resolution can also be obtained with phase curve and secondary eclipse mapping techniques respectively. The closer the planet orbits to its star, the easier it is to observe. These hot planets strongly differ from the examples we have in our solar-system. Proper models of their atmospheres are challenging yet necessary to understand current and future observations. In this thesis, I use a hierarchy of atmospheric models to understand the interactions between the thermal structure, the composition, the atmospheric circulation and the long-term evolution of irradiated planets. In these planets, the large stellar irradiation dominates the energy budget of the atmosphere. It powers a strong atmospheric circulation that transports heat and material around the planet, driving the atmosphere out of thermal and chemical equilibrium and affecting its long-term evolution. Future instruments (Gaia, SPIRou, CHEOPS, TESS, PLATO etc) will discover many more planets that the next generation of telescopes (GMT, TMT, E-ELT or JWST) will characterize with an unprecedented accuracy. Models will be tested on a large sample of planets, extending the study of climates to exoplanets.

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