Th. univ.--Sci.--Aix-Marseille 1, 1983. N°: 102. / Extrait en partie de Astronomy and astrophysics. Supplement series, 43, 1981, 297-306.

La spectroscopie Doppler a conduit à la découverte de la plupart des 500 exoplanètes connues à ce jour. En améliorant la précision des mesures de vitesse radiale, on révèle différentes populations de planètes de masses et de rayons plus faibles et/ou plus éloignées de leur étoile. Cette thèse examine les différentes causes de variations des mesures de vitesse radiale de façon d'une part à améliorer la précision des mesures et d'autre part à détecter et caractériser des exoplanètes. Tout d'abord, je détermine et propose des corrections aux limitations instrumentales du spectrographe à haute-résolution SOPHIE; les effets en vitesse radiale pouvant provenir de la réduction des données comme du matériel (correcteurs de dispersion atmosphérique, stabilité de l'illumination du spectrographe). La variabilité des étoiles est aussi une source importante de bruit. Des indices spectroscopiques et des simulations sont étudiés dans une deuxième partie afin de repérer, caractériser puis soustraire les effets de l'activité stellaire photosphérique. Dans un troisième temps, je décris l'analyse des mesures de vitesse radiale qui a conduit à la détection de plusieurs planètes dans le cadre des programmes de recherche du Consortium SOPHIE. Les paramètres de ces systèmes sont discutés en regard de ceux des planètes connues ainsi que leurs apports pour les scénarios théoriques de formation et d'évolution des exoplanètes. La spectroscopie Doppler est aussi utilisée pour caractériser les planètes en transit. Dans une dernière partie, on aborde le suivi en vitesse radiale des détections par transit, la mesure de l'effet Rossiter-MacLaughlin et la recherche de composants atmosphériques.

Les futurs instruments dédiés à la recherche d'exoplanètes par vélocimétrie sont nombreux, et toujours plus performants. Cependant cette méthode de détection est indirecte : c'est l'étude de la lumière émise par l'étoile qui donne des renseignements sur les planètes en orbite autour de l'étoile. Dès lors, nous devenons sensibles à l'ensemble des phénomènes affectant le spectre stellaire et produisant un signal en vitesse radiale. L'amplitude de ce signal est intimement liée au niveau d'activité de l'étoile. C'est alors de ce dernier que dépend le seuil de détection planétaire. Ainsi si le nombre et la diversité des mondes extra-solaires découverts ne cessent de croître, les planètes rocheuses semblables à la Terre autour d'étoiles de la séquence principale, ou les planètes en cours de formation dans un système jeune, restent, elles, difficilement accessibles. En effet, ces deux catégories de planètes produisent un signal de vitesse radiale de quelques m/s et quelques centaines de m/s, respectivement, soit souvent inférieurs aux signaux d'activité produits par les étoiles. Des efforts sont actuellement faits pour s'affranchir de cette limitation et modéliser ces signaux stellaires. L'idée principale développée au cours de la thèse part d'un constat simple : une part importante de phénomènes d'activité stellaire a une origine magnétique. Il s'agit donc d'étudier comment tirer profit de l'étude du champ magnétique stellaire et des processus d'imagerie développés pour cartographier la surface des étoiles, tels que l'imagerie Zeeman-Doppler. Cette étude s'est faite à partir d'observations spectropolarimétriques d'un échantillon d'étoiles de type M faiblement actives, et d'étoiles jeunes et actives de type T Tauri. Avec l'imagerie, en adaptant au mieux la description de l'activité à la surface de l'étoile au type d'étoile ciblé, nous pouvons accéder à la distribution des zones actives à la surface de l'étoile, et ainsi modéliser les signaux induits par l'étoile elle-même. Les courbes de vitesse radiale peuvent alors être nettoyées de ce signal parasite. Les premiers tests se sont révélés concluants : ce filtrage des données de vitesse radiale est possible jusqu'à un niveau proche de celui du bruit des données, et ce d'autant plus aisément que le niveau d'activité est important. / Forthcoming instruments dedicated to exoplanets detection through the radial velocity method are numerous, and increasingly more accurate. However this method is indirect: orbiting planets are detected and characterised from variations on the spectrum of the host star. We are therefore sensitive to all activity phenomena impacting the spectrum and producing a radial velocity signal (pulsation, granulation, spots, magnetic cycle...). The detection of rocky Earth-like planets around main-sequence stars, and of hot Jupiters into young systems, are currently limited by the intrinsic magnetic activity of the host stars. The radial velocity fluctuations caused by activity (activity jitter) can easily mimic and hide signals from such planets, whose amplitude is of a few m/s and hundreds of m/s, respectively. As a result, the detection threshold of exoplanets is largely set by the stellar activity level. Currently, efforts are invested to overcome this intrinsic limitation. During my PhD, I studied how to take advantage of imaging tomographic techniques (Zeeman-Doppler imaging, ZDI) to characterize stellar activity and magnetic field topologies, ultimately allowing us to filter out the activity jitter. My work is based on spectropolarimetric observations of a sample of weakly-active M-dwarfs, and young active T Tauri stars. Using a modified version of ZDI, we are able to reconstruct the distribution of active regions, and then model the induced stellar signal allowing us to clean RV curves from the activity jitter. First tests demonstrate that this technique can be efficient enough to recover the planet signal, especially for the more active ones.

Parmi les 400 exoplanètes découvertes, seulement une petite fraction sont en orbites autour d'étoiles plus massives que les étoiles de type solaire. Afin de contraindre les scénarios de formation et d'évolution des systèmes planétaires dans leur globalité il est cependant nécessaire de s'intéresser à la détection de planètes autour de telles étoiles. Dans le cadre de cette thèse je me suis focalisé sur les étoiles A et F de la séquence principale. La mesure de vitesses radiales (VR) précises est délicate pour ces étoiles (peu de raies, rotation élevée), de plus la présence de pulsations ou d'activité magnétique perturbent les mesures et peuvent faire croire à la présence de planètes. D'une part, des relevés systématiques ont permis la détection de plusieurs candidats et la détermination des premières statistiques sur la présence de planètes autour des étoiles A-F. D'autre part, des simulations numériques nous ont permis de simuler l'effet des taches, plages et pulsations sur les variations de VR, photométrie et astrométrie. Grâce à cela, nous avons effectué une étude quantitative complète de l'effet d'une tache à la surface d'étoiles de types spectraux variés et pour différentes configurations (position, taille, vsini). Nous avons aussi simulé l'effet des taches et plages (extraites des observations) sur les VR du Soleil telles qu'elles auraient pu être mesurées sur plus d'un cycle d'activité. A l'aide de ces simulations, nous avons étudié la détectabilité de planètes de masse terrestre dans la zone habitable d'étoiles de type solaire.

Les exoplanètes peuvent être détectées par plusieurs méthodes. De celles-ci, la méthode des Vitesses Radiales (RV) est dite indirecte, car l'on observe le spectre lumineux de l'étoile hôte et non la planète directement. Or, plusieurs facteurs influencent les variations lumineuses d'une étoile hormis la présence d'un compagnon. La photosphère des étoiles comprend des régions plus sombres appelées taches stellaires causées par de forts champs magnétiques qui restreignent le déplacement de l'énergie vers la surface. Lorsque l'étoile tourne, elles se déplacent produisant ainsi des variations dans le spectre de l'étoile similaires à celles induites par les corps l'orbitant. C'est pourquoi la modélisation de l'activité stellaire est essentielle pour la recherche d'exoplanètes. Il existe maints indicateurs d'activité dont la photométrie et les bissectrices et le Full Width at Half Maximum (FWHM) obtenus du profil moyen des raies spectrales. Ils peuvent être modélisés à l'aide d'outils mathématiques comme les Processus Gaussiens (GP). L'étoile GL229 A est une naine rouge située à 5.75 parsecs autour de laquelle orbite la première naine brune, GL229 B, découverte par imagerie directe en 1995. À mi-chemin entre planètes géantes et étoiles naines, ces objets sous-stellaires n'ont pas acquis la masse nécessaire pour déclencher la fusion nucléaire de l'hydrogène lors de leur formation. Le système GL229 fut aussi observé par différents télescopes dotés d'instruments permettant d'obtenir des mesures de RV. Ceci mena, en 2014 et 2020, à la détection de deux exoplanètes, GL229 A b et A c aux masses minimales de 32 et 7 masses terrestres. Ce mémoire présente une réanalyse des RV obtenues avec HARPS, un spectrographe échelle. En modélisant le FWHM avec un GP, il peut être démontré que les signaux précédemment identifiés comme d'origine planétaire correspondent en fait à des signaux d'activité stellaire. / Several methods can detect exoplanets. Of these, the Radial Velocity (RV) method is said to be indirect because the light spectrum of the host star is observed and not the planet directly. However, several factors influence a star's luminous variations apart from a companion's presence. The photosphere of stars contains darker regions called star spots caused by strong magnetic fields that restrict the movement of energy to the surface. When the star rotates, these spots move, producing variations in the star's spectrum similar to those induced by the bodies orbiting it. Hence, stellar modelling activity is essential when searching for exoplanets. Many activity indicators, including photometry and bisectors and Full Width at Half Maximum (FWHM) obtained from the average spectral line profiles, can be modelled using tools such as Gaussian Processes (GP). GL229 A is a red dwarf located at 5.75 parsecs around which orbits a brown dwarf, GL229 B, firstly discovered through direct imaging in 1995. Halfway between giant planets and dwarf stars, these substellar objects did not acquire the mass necessary to trigger nuclear hydrogen fusion during their formation. The GL229 system was also observed by various telescopes equipped with instruments making it possible to obtain RV measurements. This led, in 2014 and 2020, to the detection of two exoplanets, GL229 A b and A c, with minimum masses of 32 and 7 Earth masses. This thesis presents a re-analysis of the RVs obtained from HARPS spectra, an échelle spectrograph, for the Gliese 229 system. By modelling the FWHM with a GP, we show that previously identified planetary signals are not real and result from stellar activity.

La recherche et caractérisation de planètes extrasolaires en transit (i.e., qui passent devant leur étoile, vue depuis la Terre) est un domaine important de la planétologie car ces planètes permettent de contraindre les processus de formation, d'évolution et de migration des systèmes planétaires. Les missions spatiales CoRoT et Kepler ont permis, ces dernières années, de découvrir plusieurs milliers de candidats-planètes en transit. Cependant, ces candidats-planètes doivent être confirmés afin d'exclure tout scénario de faux-positifs pouvant imiter un transit d'une exo-planète. Pour cela, l'une des méthodes possible consiste à mener des observations complémentaires de vitesse radiale permettant de mesurer la masse et les paramètres orbitaux de l'objet qui transite et ainsi de pouvoir déterminer la nature des candidats-planètes. Au cours de ma thèse, je me suis attaché à résoudre la nature des candidats-planètes en transit issues des missions spatiales CoRoT et Kepler en menant des observations avec les spectrographes SOPHIE et HARPS, ce qui m'a permis d'identifier plusieurs nouvelles planètes extrasolaires en transit. J'ai également pu mesurer le taux de faux-positif de la mission Kepler, égal à 35% pour les candidats planètes-géantes à courte période orbitale, contredisant les précédentes estimations, beaucoup plus optimistes. J'ai également participé au développement d'un nouveau logiciel, "PASTIS", qui permet de valider statistiquement des planètes extrasolaires de faible masse, trop petites pour être caractérisées grâce aux spectrographes actuels. Ce logiciel permettra, à terme, de valider des dizaines de planètes de faible masse issues des missions CoRoT et Kepler. / The search and characterization of transiting extrasolar planets (i.e. that pass in front of their host star, as seen from the Earth) is an important domain of planetology since these planets constrain the formation, evolution and migration process of planetary systems. The CoRoT (CNES) and Kepler (NASA) space missions permit, these last years, to discover several thousand of transiting-planet candidates. However, these planet candidates need to be confirmed in order to exclude all false positive scenario that can mimic a planetary transit. For that, one of the method consist on performing radial velocity follow-up observations to measure the transiting object's mass and orbital parameters and thus, to determine the nature of planet candidates.During my PhD thesis, I tried to resolve the nature of transiting planet candidates from the CoRoT and Kepler space missions. For that, I performed follow-up observations with the SOPHIE (OHP) and HARPS (ESO) spectrographs that were used to discover several new transiting extrasolar planets. I also measured the Kepler false-positive rate, equal to 35% for giant close-in exoplanet candidates, contradicting previous estimations, much more optimistic.I also participate to the development of a new software, called "PASTIS", which objective is to validate statistically low-mass transiting exoplanets out of reach for current spectrographs. This new tool will, in a near future, validate tens of low-mass planets from the CoRoT and Kepler space missions.

Dans la recherche d’exoplanètes comme la Terre dans la zone habitable de leur étoile, la vélocimétrie radiale s’est avérée un outil important. Les candidats les plus intéressants pour faire ce genre de mesures sont les naines rouges, car la zone habitable se trouve proche de l’étoile et possède donc une courte période, et de par leurs faibles masses, l’orbite d’une planète comme la Terre induirait un signal de l’ordre de 1 ms^−1. L’effet Doppler résultant de ce mouvement est mesurable par des spectrographes optimisés pour la vélocimétrie de haute précision. Par contre, comme les naines rouges émettent principalement dans l’infrarouge et que l’atmosphère terrestre présente de fortes raies d’absorption dans ces longueurs d’onde, il est alors important de soustraire ces raies pour minimiser le biais de vitesse radiale de l’étoile induit par l’atmosphère. Le but de ce travail de maîtrise fut de développer un algorithme permettant de faire des mesures de vélocimétrie de haute précision dans le domaine infrarouge, de procéder à la quantification de l’impact des raies d’absorption telluriques et de déterminer une cible pour le niveau requis de retrait de ces raies. Une méthode de traitement de données basée sur l’analyse d’un spectre segmenté adéquatement pondéré fut aussi développée pour extraire optimalement la vitesse radiale en présence de raies telluriques résiduelles. On note l’existence d’une corrélation entre l’époque des mesures et l’incertitude de vitesse radiale associée avec les raies telluriques résiduelles ce qui souligne toute l’importance du choix de la fenêtre d’observation pour atteindre une précision de 1 ms^−1. De cette analyse, on conclut qu’un masque de 80% de transmission couplé avec un retrait laissant au maximum 10% des raies telluriques est requis pour atteindre des performances mieux que le ms^−1. / In the search for an exoplanet like Earth in the habitable zone of its star, radial velocimetry has proved itself an important tool. The most promising candidates for this type of measurements are red dwarfs. Since their habitable zone is very close to the star with relatively small orbital periods (a few weeks), and because of their small masses, the presence of an Earth-like planet in their habitable zone would produce a signal of ∼ 1 ms−1. Such a small Doppler effect resulting from this reflex motion is within the capabilities of precision radial velocity instruments. But, since red dwarfs emit mostly in the infrared and Earth’s atmosphere has strong absorption lines in that domain, the removal of telluric absorption lines is crucial to minimize the velocity bias induced by the atmosphere. The goal of this work was the development of an algorithm capable of performing high precision radial velocimetry measurements, to quantify the impact of telluric lines on the measurements and to determine the level of telluric line masking and attenuation needed to minimize their impact on velocity measurements. A data processing method based on the analysis of an adequately weighted segmented spectrum was also developed to optimally extract radial velocities in the presence of residual telluric lines. We note the existence of a correlation between the time of the measurements and the radial velocity uncertainty associated with the residual telluric lines, which underlines the importance of the choice of the observation window to achieve an accuracy of 1 meter per second. From this analysis, it is concluded that a mask of 80% transmission coupled with an attenuation leaving a maximum of 10% of the telluric lines is required to achieve performance better than 1 meter per second.