We use a model of aerosol microphysics to investigate the impact of high-altitude photochemical aerosols on the transmission spectra and atmospheric properties of close-in exoplanets, such as HD 209458 b and HD 189733 b. The results depend strongly on the temperature profiles in the middle and upper atmospheres, which are poorly understood. Nevertheless, our model of HD 189733 b, based on the most recently inferred temperature profiles, produces an aerosol distribution that matches the observed transmission spectrum. We argue that the hotter temperature of HD 209458 b inhibits the production of high-altitude aerosols and leads to the appearance of a clearer atmosphere than on HD 189733 b. The aerosol distribution also depends on the particle composition, photochemical production, and atmospheric mixing. Due to degeneracies among these inputs, current data cannot constrain the aerosol properties in detail. Instead, our work highlights the role of different factors in controlling the aerosol distribution that will prove useful in understanding different observations, including those from future missions. For the atmospheric mixing efficiency suggested by general circulation models, we find that the aerosol particles are small (similar to nm) and probably spherical. We further conclude that a composition based on complex hydrocarbons (soots) is the most likely candidate to survive the high temperatures in hot-Jupiter atmospheres. Such particles would have a significant impact on the energy balance of HD 189733 b's atmosphere and should be incorporated in future studies of atmospheric structure. We also evaluate the contribution of external sources to photochemical aerosol formation and find that their spectral signature is not consistent with observations.

The past decade has seen significant progress on the direct detection and characterization of young, self-luminous giant planets at wide orbital separations from their host stars. Some of these planets show evidence for disequilibrium processes like transport-induced quenching in their atmospheres; photochemistry may also be important, despite the large orbital distances. These disequilibrium chemical processes can alter the expected composition, spectral behavior, thermal structure, and cooling history of the planets, and can potentially confuse determinations of bulk elemental ratios, which provide important insights into planet-formation mechanisms. Using a thermo/photochemical kinetics and transport model, we investigate the extent to which disequilibrium chemistry affects the composition and spectra of directly imaged giant exoplanets. Results for specific "young Jupiters" such as HR 8799 b and 51 Eri b are presented, as are general trends as a function of planetary effective temperature, surface gravity, incident ultraviolet flux, and strength of deep atmospheric convection. We find that quenching is very important on young Jupiters, leading to CO/CH4 and N-2/NH3 ratios much greater than, and H2O mixing ratios a factor of a few less than, chemical-equilibrium predictions. Photochemistry can also be important on such planets, with CO2 and HCN being key photochemical products. Carbon dioxide becomes a major constituent when stratospheric temperatures are low and recycling of water via the H-2 + OH reaction becomes kinetically stifled. Young Jupiters with effective temperatures less than or similar to 700 K are in a particularly interesting photochemical regime that differs from both transiting hot Jupiters and our own solar-system giant planets.

Avec près de 4000 exoplanètes connues, le domaine est passé de simplement détecter des exoplanètes à étudier leurs propriétés atmosphériques. Cependant, les spectres en lumières réfléchies de ces objets sont encore mal compris. Les exoplanètes réfléchissent une partie de la lumière qu’elles reçoivent de leur étoile, selon les propriétés de l’atmosphère, ce qui affecte le budget énergétique de la planète. Les Jupiters chaudes, c’est-à-dire des planètes de types Jupiter avec des périodes orbitales très courtes, sont les cibles les plus faciles à observer par spectroscopie des éclipses. L’albédo est une mesure directe de la lumière réfléchie qui peut être mesurée pendant que la planète passe derrière l’étoile hôte. Dans leur cas spécifique, une incohérence apparente, appelée le problème d’albédo des Jupiters chaudes, reste non résolu. Alors que les géantes gazeuses du système solaire ont des albédos de Bond inférieurs aux albédos géométriques, les mesures dans le visible et l’infrarouges pour HD 189733b et HD 209458b indiquent le contraire. Ceci pourrait être expliqué par des albédos géométriques plus élevés à des longueurs d’onde UV/visibles hors de la bande passante de Kepler, mais très peu de mesures existent pour corroborer cela. Ce mémoire présente le spectre de réflexion complet de WASP-43b, incluant 3 mesures d’éclipse obtenues par le HST (290-570 nm) ainsi que 28 obtenues par la mission TESS (600-1000 nm). Lorsque combinées avec les observations Spitzer ou les observations d’éclipse du JWST à venir, ces mesures répondront à des questions-clés concernant la structure et composition atmosphérique de la planète, le budget énergétique global et sa circulation. / With nearly 4000 exoplanets known, the field has evolved from merely detecting exoplanets to actually probing atmospheric properties. However, reflected light spectra from these objects are still not fully understood. Exoplanets reflect a portion of the light that they receive from the star, the amount of which depends on the properties of the atmosphere and in turn affects the energy budget of the planet. Hot Jupiters, i.e. Jupiter-like planets giants with very short orbital periods are the easiest targets amenable to eclipse spectroscopy. Albedo is a direct measure of reflected light that can be measured while the planet eclipses behind the host star. In the specific case of these intriguing planets, an apparent inconsistency, termed as the hot Jupiter Albedo Problem, remains unsolved. While Solar System gas giants show Bond albedos lower than geometric albedos, the measurements from optical and infrared instruments for HD 189733b and HD 209458b show the opposite. This phenomenon has the potential to be explained by higher geometric albedos at UV/optical wavelengths outside the Kepler bandpass, but very few measurements exist to corroborate this. This thesis presents WASP-43b’s full reflection spectrum, including 3 eclipse measurements obtained by the HST (290-570 nm) along with 28 obtained by the TESS mission (600-1000 nm). When combined with the Spitzer or the upcoming JWST’s eclipse observations, these measurements will answer key questions about the planet’s atmospheric composition and structure, global energy budget and circulation.

Le système TRAPPIST-1 offre une opportunité sans précédent de caractériser les premières planètes potentiellement habitables en dehors de notre système solaire. Dans ce mémoire est décrit le développement d’un pipeline de réduction de données personnalisé pour le mode WIRC+Spec de la caméra infrarouge à grand champ récemment mise à niveau à l’observatoire Palomar. Nous introduisons une nouvelle approche d’ajustement de la fonction d’étalement du point basée sur la transformation de Karhunen-Loève pour extraire des courbes de lumière photométrique et spectroscopique de sources de forme irrégulière, que nous appliquons aux observations de l’exoplanète TRAPPIST-1d pour mesurer ses spectres de transmission dans les bandes J (1.1 à 1.4 µm) et Ks (1.95 à 2.35 µm). Un guide détaillé est présenté pour l’implémentation d’un calcul de profils de température incluant l’équilibre radiatif et convectif pour une modélisation atmosphérique efficace et précise. En comparant une multitude de scénarios atmosphériques aux observations de TRAPPIST-1d, nous obtenons des contraintes sur la composition et la structure de son atmosphère, excluant les scénarios sans nuages avec des métallicités inférieures à 300 fois la valeur solaire à 3σ. / The TRAPPIST-1 system provides an unprecedented opportunity to characterize the first potentially habitable planets outside our solar system. In this work we describe the development of a custom data reduction pipeline for the WIRC+Spec mode of the recently upgraded Wide Field Infrared Camera instrument on Palomar Observatory. We introduce a novel, Karhunen-Loève transform based approach to extract photometric and spectroscopic light curves from irregularly shaped sources, which we apply to observations of the TRAPPIST-1d exoplanet to measure the J band (1.1 to 1.4 µm) and Ks band (1.95 to 2.35 µm) transmission spectra. We also present a detailed guide into the implementation of a self-consistent, radiative-convective temperature structure calculation for efficient and accurate atmospheric modelling. Comparing a host of atmospheric scenarios to the observations of TRAPPIST-1d to date, we constrain its atmosphere, ruling out cloud-free atmospheres with metallicities lower than 300 times the solar value at 3σ confidence.

Avec la découverte de milliers de nouvelles planètes au cours des vingt dernières années, une nouvelle population complexe de planètes plus petites que Neptune et plus grandes que la Terre a été découverte. Ces planètes se divisent en deux groupes : les plus grandes sub-Neptunes avec des atmosphères étendues dominées par H, et les plus petites super-Terres qui ont tout au plus des atmosphères minces. Cette division peut être expliquée par une variété de mécanismes, y compris la photoévaporation, la perte de masse alimentée par le noyau, et la formation de gaz pauvres et vides : la population de petites planètes est probablement façonnée par une combinaison de ces mécanismes qui peut dépendre du type stellaire. Dans ce travail, nous décrivons la découverte de deux nouvelles planètes qui sont bien adaptées à l'étude de la nature de la population des petites planètes : Wolf 503 b et LP 791-18 d. Wolf 503 b est une planète de \(2.03^{+0.08}_{-0.07} R_{\oplus}\) orbitant autour de l'étoile brillante (\(J=8.32\) mag), proche (\(D=44.5\) pc) à mouvement propre élevé K3.5V Wolf 503 (EPIC 212779563). Nous confirmons que la signature du transit K2 est planétaire en utilisant à la fois des images d'archives et des images d'optique adaptative à haut contraste de l'observatoire Palomar. Son rayon place Wolf 503b directement entre les populations de super-Terre et de sub-Neptune, un rayon auquel les planètes sont rarement trouvées et la composition de masse attendue est ambiguë, et la luminosité de l'étoile hôte fait de Wolf 503b une cible de choix pour le suivi des vitesses radiales et la spectroscopie de transit. La deuxième planète que nous présentons est une planète de taille terrestre orbitant autour de la naine froide M6 LP 791-18. La nouvelle planète d rejoint un système bien aligné avec au moins deux autres planètes, la plus externe étant une sous-Neptune, offrant une occasion unique à ce jour d'étudier un système avec une planète de taille terrestre tempérée et une sous-Neptune qui a conservé son enveloppe gazeuse ou volatile. La découverte de LP 791-18d permet de mesurer la masse du système grâce aux variations du temps de transit, et nous trouvons une masse de \( {9.3_{-1.4}^{+1.5}\,M_\oplus}\) pour la sub-Neptune LP 791-18c et une masse de \( {0.8_{-0.4}^{+0.5}\,M_\oplus}\) pour l'exo-Terre LP 791-18d (\({<2.3 M_{\oplus}}\) à 3\( {\sigma}\)). La planète est également soumise à un fort réchauffement continu par les marées, ce qui peut entraîner une activité géologique et un dégazage volcanique. Pour l'avenir, LP 791-18d et Wolf 503b offrent des opportunités uniques d'étudier les origines et la conservation des atmosphères des petites planètes. / With the discovery of thousands of new planets in the past twenty years, a new and complex population of planets has been discovered which are smaller than Neptune and larger than the Earth. These planets are split into two groups: the larger sub-Neptunes with extended H-dominated atmospheres, and the smaller super-Earths which have at most thin atmospheres. This division can be explained by a variety of mechanisms, including photoevaporation, core-powered mass-loss, and gas-poor and gas-empty formation: the small-planet population is likely shaped by a combination of these which may depend on stellar type. In this work we describe the discovery of two new planets which are well-suited to investigating the nature of the small planet population: Wolf 503b and LP 791-18d. Wolf 503 b is a \(2.03^{+0.08}_{-0.07} R_{\oplus}\) planet orbiting the bright (\(J=8.32\) mag), nearby (\(D=44.5\) pc) high proper motion K3.5V star Wolf 503 (EPIC 212779563). We confirm that the K2 transit signature is planetary using both archival images and high-contrast adaptive optics images from the Palomar observatory. Its radius places Wolf 503 b directly between the populations of super-Earths and sub-Neptunes, a radius at which planets are rarely found and the expected bulk composition is ambiguous, and the brightness of the host star makes Wolf 503b a prime target for radial velocity follow-up and transit spectroscopy. The second planet we introduce is an Earth-sized planet orbiting the cool M6 dwarf LP 791-18. The new planet d joins a well-aligned system with at least two more planets, the outermost being a sub-Neptune, providing a to-date unique opportunity to investigate a system with a temperate Earth-sized planet and a sub-Neptune that retained its gas or volatile envelope. The discovery of LP 791-18d makes the system amenable to mass measurements via transit timing variations, and we find a mass of \( {9.3_{-1.4}^{+1.5}\,M_\oplus}\) for the sub-Neptune LP 791-18c and a mass of \( {0.8_{-0.4}^{+0.5}\,M_\oplus}\) for the exo-Earth LP 791-18d (\( {<2.3 M_{\oplus}}\) at 3\( {\sigma}\)). The planet is also subject to strong continued tidal heating, which may result in geological activity and volcanic outgassing. Looking forward, LP 791-18d and Wolf 503b offer unique opportunities to study the origins and retention of small-planet atmospheres.