De la religion à la science, la quête de compréhension de notre place dans l’univers est l’un des moteurs fondamentaux du progrès humain. Depuis la découverte de la première exoplanète autour d’une étoile de la séquence principale au milieu des années 1990, le nombre de systèmes exoplanétaires a explosé pour atteindre plusieurs milliers. Nous avons même réalisé des études approfondies des atmosphères de nombreux mondes lointains, ce qui nous a permis de découvrir la diversité, jusqu’alors insondable, des planètes qui existent dans la galaxie. Pour comprendre la place de notre propre système solaire dans le contexte de la population plus large des exoplanètes, il est d’abord essentiel de comprendre la diversité des exoplanètes elles- mêmes. La spectroscopie spatiale à basse résolution a toujours été l’outil de choix pour sonder les atmosphères des exoplanètes et comprendre la physique et la chimie qui régissent leur formation et leur évolution. Au cours des deux ans et demi qui ont suivi son lancement, j’ai contribué aux études des atmosphères d’exoplanètes avec JWST couvrant tout l’espace des paramètres de la population des exoplanètes. Cette thèse contient quatre de ces études, y compris certaines des toutes premières observations d’exoplanètes avec le «Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph» (NIRISS) du JWST. Dans le premier travail, j’ai conçu et testé une méthode pour estimer la «fonction d’étalement de point» (PSF) bidimensionnelle d’une observation avec le mode SOSS (Single Object Slitless Spectroscopy) du NIRISS, qui est l’un des principaux modes d’observation des exoplanètes du JWST. Ces PSFs sont une donée critique pour une méthode d’extraction spectrale spécialisée conçue pour traiter les défis techniques spécifiques posés par les observations SOSS. Nous démontrons ensuite que ces PSF empiriques permettent d’obtenir des spectres d’atmosphère plus fidèles que les modèles par défaut. Dans le second projet, nous présentons l’une des toutes premières observations d’exoplanètes avec JWST NIRISS/SOSS. Ces observations du transit de l’exoplanète WASP-96 b, qui est une Saturne-chaude, montrent des signatures claires de l’absorption de H2O et de K à des abondances à peu près solaires. De plus, nous détectons une pente vers les longueurs d’onde les plus bleues de notre spectre, qui pourrait s’expliquer soit par la diffusion Rayleigh de petites particules d’aérosols, soit par les ailes élargies par la pression de l’élément Na. La possibilité de la diffusion d’aérosols est particulièrement intrigante car les observations précédentes avec Hubble, entre autres, ont conclu v que la haute atmosphère de WASP-96 b n’avait pas d’aérosols, malgré les travaux théoriques indiquant qu’elle devrait être uniformément nuageuse. Le troisième travail présente un spectre de transmission JWST NIRISS/SOSS de l’unique planète ultra-chaude LTT 9779 b; la seule planète connue dans le désert de Neptunes chaudes à avoir conservé une atmosphère primordiale. Notre spectre présente des caractéristiques atténuées qui, combinées à la structure intérieure et aux modèles de synthèse de population, nous permettent de conclure que la planète possède une atmosphère au terminateur qui est nuageuse et de haute métallicité. Un scénario de haute métallicité est cohérent avec les tendances générales dans la population des exoplanètes, ainsi que dans le système solaire. De plus, s’ils sont advectés sur le côté jour, les nuages du terminateur que nous trouvons fournissent une explication naturelle à l’albédo élevé précédemment déduit pour cette planète. Nous supposons que ces nuages peuvent faire partie d’une boucle de rétroaction positive qui sert à diminuer l’efficacité de la perte d’atmosphère sous le rayonnement intense de son étoile hôte, et à aider la survie de LTT 9779 b dans le désert de Neptunes chaudes. Enfin, nous revenons à LTT 9779 b avec l’étude d’un spectre d’éclipse qui s’étend de l’ultraviolet à l’infrarouge. En combinant les éclipses de NIRISS/SOSS avec des données d’archives ainsi que des observations inédites utilisant les capacités ultraviolettes de Hubble, nous concluons que l’albédo élevé de LTT 9779 b est probablement dû à la réflexion des nuages de MgSiO3 et confirmons que sa structure de température du côté jour n’est pas inversée. Nous entreprenons ensuite une analyse comparative de LTT 9779 b dans le contexte plus large des Jupiters ultra-chaudes, qui ont des températures comparables à LTT 9779 b mais des côtés jours systématiquement dépourvus de nuages et des structures de température inversées. De cette manière nous faisons les premiers pas pour réconcilier cette planète inhabituelle avec la population plus large des mondes ultra-chauds. Ces travaux, ainsi que les ∼20 autres auxquels j’ai contribué au cours de mon doctorat, dé- montrent les capacités inégalées du JWST pour la caractérisation des atmosphères des exoplanètes. Chaque nouvelle observation nous rapproche un peu plus de la découverte des origines de la di- versité de la population des exoplanètes, ainsi que des différences et similitudes fondamentales entre les différentes «classes» de planètes. Cette thèse met en lumière les contributions que j’ai apportées à cette entreprise au cours de mon doctorat. Le JWST a sans aucun doute fait passer de nombreuses régions de la population des exoplanètes du statut de frontières ambitieuses à celui de véritables cibles d’observation et, par conséquent, la prochaine décennie sera certainement l’une des plus transformatrices de l’histoire de la science exoplanétaire. / From religion to science, the quest to understand our place in the universe is one of the fundamental drivers of human progress. Since the discovery of the first exoplanet around a main sequence star in the mid-1990s, our current count of exoplanetary systems has exploded to several thousands. We have even performed in-depth studies of the atmospheres of many distant worlds, yielding insights into the previously unfathomable diversity of planets that exist in the galaxy. In order to understand our own solar system’s place in the context of the wider population of exoplanets, it is first essential to understand the diversity of exoplanets themselves. Low-resolution spectroscopy from space has historically been the tool of choice to probe exoplanet atmospheres and gain insights into the physics and chemistry that govern their formation and evolution. In the nearly two and a half years since its launch, I have contributed to JWST atmosphere studies spanning the full parameter space of the exoplanet population. This thesis contains four of these studies, including some of the very first exoplanet observations with JWST’s Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS). In the first work, I designed and tested a method to estimate the two-dimensional point spread function (PSF) of an observation with NIRISS’s Single Object Slitless Spectroscopy (SOSS) mode, which is one of the key observing modes for JWST exoplanet observations. These PSFs are a critical input to a specialized spectral extraction method designed to deal with specific technical challenges posed by SOSS observations. We then demonstrate that these empirical PSFs result in higher-fidelity atmosphere spectra than default models. The second project presents one of the first-ever exoplanet observations with JWST NIRISS/SOSS. These transit observations of the hot-Saturn exoplanet WASP-96 b show clear signatures due to absorption of H2O and K at roughly solar abundances. Moreover, we detect a slope towards the bluest wavelengths of our spectrum, which could either be explained by Rayleigh scattering from small aerosol particles or the pressure-broadened wings of a Na feature. The aerosol scattering possibility is particularly intriguing as previous observations with Hubble and ground-based facilities have concluded WASP-96 b’s upper atmosphere to be aerosol free, despite theoretical work indicating that it should be uniformly cloudy. The third work presents a JWST NIRISS/SOSS transmission spectrum of the unique ultra-hot- Neptune LTT 9779 b; the only known planet within the hot-Neptune desert to have retained a primordial atmosphere. Our spectrum displays muted features which, when combined with interior vii structure and population synthesis models, allows us to conclude that the planet has a cloudy and high-metallicity terminator atmosphere. A high-metallicity scenario is consistent with broader trends in the exoplanet population, as well as in the solar system. Moreover, if advected onto the dayside, the terminator clouds that we find provide a natural explanation for the high albedo previously inferred for this planet. We posit that these clouds may be part of a positive feedback loop which serves to decrease the efficiency of atmosphere loss under the intense radiation of its host star, and aid LTT 9779 b’s survival in the hot-Neptune desert. Finally, we return to LTT 9779 b with the study of an ultraviolet-to-infrared eclipse spectrum. Combining eclipses from NIRISS/SOSS with archival data as well as previously unpublished observations leveraging Hubble’s ultraviolet capabilities, we conclude that the high albedo of LTT 9779 b is likely caused by reflection from MgSiO3 clouds and confirm that its dayside temperature structure is non-inverted. We then undertake a comparative analysis of LTT 9779 b within the broader context of ultra-hot-Jupiters; which have comparable temperatures to LTT 9779 b but systematically cloud-free daysides and inverted temperature structures — thereby taking the first steps to reconcile this unusual planet with the broader population of ultra-hot worlds. These works, as well as the ∼20 others to which I have contributed over the course of my PhD, demonstrate the unparalleled capabilities of JWST for the characterization of exoplanet atmospheres. Every new observation brings us one step closer to uncovering the origins of the diversity of the exoplanet population, as well as the fundamental differences and similarities between different “classes” of planets. This thesis highlights the contributions I have made to this endeavour during my PhD. JWST has undoubtedly moved many regions of the exoplanet population from aspirational frontiers to genuine observational targets, and as a result, the next decade will surely be one of the most transformative in the history of exoplanetary science.

Il y a près de trente ans, la première exoplanète a été détectée autour d'une étoile autre que le Soleil. Bien que plus de cinq mille exoplanètes aient été confirmées à ce jour, nous n’avons étudié l’atmosphère que de quelques dizaines d’entre elles et, dans la plupart des cas, n’avons eu accès qu’à une seule molécule. Nous commençons tout juste à découvrir la diversité des atmosphères exoplanétaires, et entrons dans une ère de caractérisation détaillée grâce à une nouvelle génération de télescopes, qui ouvre de nouvelles perspectives sur leur évolution et les processus chimiques et dynamiques qui les régissent. Au cours des dernières années, j'ai contribué à des études sur des exoplanètes allant de petites planètes de type terrestre jusqu’à des géantes gazeuses aux densités extrêmement faibles. Cette thèse contient quatre de ces études, qui exploitent une variété de méthodes d'observation et de modélisation. Dans le premier article, nous nous sommes penchés sur WASP-107 b, une planète de la taille de Jupiter avec une densité étonnamment faible, l'une de quelques énigmatiques ``super-puffs''. Nous avons obtenu une nouvelle mesure de la masse de cette planète en utilisant les données récoltées par une campagne de vitesses radiales sur quatre ans, ce qui était essentiel à l’étude de son atmosphère. Nous avons également détecté un compagnon planétaire lointain, WASP-107 c. Notre nouvelle mesure de la masse est encore plus faible que les estimations précédentes et, combinée aux contraintes existantes sur la composition de l'atmosphère obtenues à l'aide de spectroscopie de transmission, celle-ci semblait indiquer une masse très faible pour le noyau planétaire, remettant en question les modèles existants de formation des planètes géantes. Nous avons proposé de nouveaux scénarios dans lesquels de telles planètes géantes peuvent malgré tout accumuler leur envelope de gaz sur des noyaux de faible masse, à de grandes distances de leur étoile hôte. Dans la deuxième étude, nous nous sommes tournés vers un type de planète très différent avec Kepler-138 d, une petite planète de 1,5 rayons terrestres. Nous avons analysé les observations de transit obtenues avec les télescopes spatiaux Hubble et Spitzer et constaté que l'interaction gravitationnelle entre les trois planètes connues du système, Kepler-138 b, c et d, ne peut expliquer les variations des moments de transit de Kepler-138 d, nécessitant la présence d'une quatrième planète. Nous obtenons de nouvelles mesures des masses de Kepler-138 c et d, qui révèlent que leurs densités sont trop faibles pour être compatibles avec la composition rocheuse communément attendue pour des planètes de cette taille. En combinant la modélisation de la structure planétaire avec des calculs d'échappement atmosphérique, nous démontrons que ces planètes ont probablement des intérieurs supercritiques et des atmosphères composées d'eau ou d'autres espèces chimiques ayant une densité similairement élevée. La planète faisant l’objet de notre troisième étude, GJ 9827 d, mesure à peine 2 rayons terrestres. Comme Kepler-138 d, sa densité est intermédiaire entre les planètes plus grandes qui ont des enveloppes dominées par l'hydrogène, et les plus petites planètes rocheuses, ce qui suggère une composition atmosphérique potentiellement enrichie en métaux. Nous exploitons les observations de transit de l'atmosphère de GJ 9827 d avec JWST NIRISS/SOSS pour déterminer que sa composition atmosphérique est fortement enrichie en molécules au poids moléculaire élevé, y compris de grandes quantités d'eau, et est pauvre en hydrogène par rapport aux planètes légèrement plus grandes. Nous proposons des diagnostics observationnels pour déterminer l'origine de cet enrichissement en métaux, qui pourrait provenir de grandes quantités initiales de glaces accrétées, des interactions géochimiques entre l'atmosphère et l'océan de magma sous-jacent, ou de la perte progressive des constituants atmosphériques les plus légers au fil du temps. Le quatrième et dernier travail présenté dans cette thèse a pour objet une petite exoplanète rocheuse tempérée (température d’environ 12 degrés Celsius) et mesurant 0,8 rayon terrestre, TRAPPIST-1 d. Nous observons son spectre de transmission en utilisant JWST NIRSpec/PRISM, et ne détectons aucune signature atmosphérique planétaire, malgré notre haute sensibilité même aux atmosphères secondaires fines et de poids moléculaire élevé similaires aux planètes rocheuses du système solaire. Nous proposons que TRAPPIST-1 d a soit été dépouillée de son atmosphère par l'irradiation intense qu'elle reçoit de son étoile, soit qu'elle présente des signatures d'absorption très faibles en transmission, en raison d'une atmosphère de poids moléculaire élevé avec une pression de surface extrêmement faible, ou de la présence de nuages à haute altitude qui masquent les signatures d'une atmosphère plus profonde. Ces études ne représentent qu'un modeste sous-ensemble de la richesse des informations qui peuvent être obtenues sur la nature des exoplanètes et de leurs atmosphères grâce à des études observationnelles détaillées, soutenues par des approches de modélisation rigoureuses. De nouveaux télescopes tels que le JWST permettent maintenant la caractérisation atmosphérique de plus en plus précise d'un échantillon croissant d'exoplanètes. De telles observations nous permettront bientôt de construire un échantillon statistique d'atmosphères d'exoplanètes qui défiera sans aucun doute davantage nos modèles et hypothèses, et nous rapprochera de la compréhension des facteurs sous-jacents à leur diversité. / Exoplanet discoveries are closing in on the third decade since the first detection of a planet orbiting a star other than the Sun. While over five thousand exoplanets have been confirmed to date, only a few dozen of them have had their atmospheres studied, with, for most of them, constraints on only one molecular species. We are only now starting to uncover the diversity of exoplanet atmospheres, entering an era of detailed exoplanet atmosphere characterization and opening new windows into their evolution, chemistry, and dynamics. Over the past few years, I have contributed to studies of exoplanets ranging from small terrestrial worlds to the puffiest gas giants. This thesis contains four of these studies, which leverage a variety of observational methods and modeling perspectives. In the first work, we study WASP-107 b, a Jupiter-size planet with a stunningly low density, one of a few puzzling ``super-puffs''. We provide a new measurement of the planet's mass by leveraging a four-year radial-velocity campaign, which was essential to enable further atmosphere characterization. Our observations also enable us to detect a planetary companion, WASP-107c, on a wide orbit. Our new mass is even lower than previous estimates and, combined with the existing constraints on the atmosphere's metal content from transmission spectroscopy, seems to point to a very low core mass that challenges current models of giant planet formation. We propose a new channel of fast giant planet formation that would allow for such ``super-puffs'' to accrete their gas onto low-mass cores, at large distances from their host star. In the second study, we turn to a very different type of planet with Kepler-138 d, a small 1.5 Earth-radii planet, where we analyze transit observations obtained with the Hubble and Spitzer space telescopes. We find that the gravitational interaction between the three known planets in the system, Kepler-138 b, c, and d, cannot explain the variations in the transit times of Kepler-138 d, which require the presence of a fourth planet. We revise our estimates of the masses and compositions of Kepler-138 c and d, which reveal that their densities are too low to be compatible with the rocky compositions commonly assumed for planets in that size range. By combining planetary structure modeling with atmospheric escape calculations, we demonstrate that these planets are likely candidate ``water worlds'', with supercritical interiors and steam atmospheres. The third study focuses on a 2-Earth-radii planet, GJ 9827 d. Similarly to Kepler-138 d, GJ 9827 d has an intermediate density between larger planets with hydrogen-dominated envelopes, and smaller rocky planets, which suggests a potentially metal-enriched atmosphere composition. We leverage transit observations of GJ 9827 d's atmosphere with JWST NIRISS/SOSS to infer that its atmospheric composition is highly enriched in high mean molecular weight volatiles, including large amounts of water, and is hydrogen-poor compared to slightly larger planets. We propose observational diagnostics to further constrain the origin of this metal enrichment, which could originate from large initial amounts of accreted volatiles, magma ocean-atmosphere geochemistry, or gradual loss of lighter atmosphere constituents over time. The fourth and final work presented in this thesis focuses on a small temperate 0.8-Earth-radius rocky exoplanet, TRAPPIST-1 d. We observe its transmission spectrum using JWST NIRSpec/PRISM, and do not detect any planetary atmosphere signature, despite our high sensitivity to even thin, high mean molecular weight secondary atmospheres. We propose that TRAPPIST-1 d has either been stripped of its atmosphere by the intense irradiation it receives from its host star, or that it has very small spectral features from a high mean molecular weight atmosphere with an extremely low surface pressure, or with high-altitude clouds obscuring the signatures from a deeper atmosphere. These studies highlight only a modest subset of the breadth of information that can be uncovered by detailed observational studies supported by rigorous modeling approaches, revealing the nature of exoplanets and their atmospheres. With more and more precise atmospheric characterization of a growing sample of exoplanets enabled by new telescopes such as the JWST, we can now hope to build a statistical sample of well-characterized exoplanet atmospheres that will undoubtedly further challenge our models and assumptions, and bring us one step closer to understanding the factors underlying their diversity.