Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'astérosismologie des étoiles de type solaire, et plus particulièrement des étoiles centrales de systèmes planétaires. L'analyse des ondes se propageant dans ces étoiles permet de mieux contraindre leur structure interne. Les deux premiers chapitres décrivent la théorie des oscillations stellaires et les outils numériques utilisés. La troisième partie traite de HD 52265, étoile cible de la mission CoRoT possédant une planète. Nous avons calculé des modèles préliminaires de cette étoile, en tenant compte des contraintes spectroscopiques, et nous avons avons fait des prédictions astérosismiques. Au cours de cette étude, nous avons mis en évidence une signature sismique caractéristique du cœur de l'étoile. Ce phénomène est induit par un fort gradient d'hélium au centre de l'étoile. Nous avons étudié cet effet dans le cas général des étoiles de type solaire, et nous avons montré qu'il se produit systématiquement, à la fin de la phase de séquence principale ou au début de la branche des sous-géantes. Cette signature caractéristique peut être utilisée pour contraindre le cœur de l'étoile. Le cinquième chapitre est consacré à l'étoile 51 Peg. Nous avons observé cette étoile avec le spectrographe SOPHIE à l'Observatoire de Haute Provence en 2007 et nous avons détecté ses oscillations. L'analyse des données a conduit à l'identification de 21 modes de pulsation. Enfin, nous présentons une nouvelle analyse sismique de l'étoile centrale de système planétaire µ Arae, observée et analysée par Bazot et al. en 2004. L'astérosismologie couplée avec la spectroscopie nous a permis de déterminer l'abondance d'hélium de l'étoile, ainsi que ses paramètres: masse, âge, rayon, taille du cœur convectif et extension possible due à de l'overshooting. Ces résultats illustrent que l'astérosismologie est un outil puissant pour apporter des contraintes sur la structure interne des étoiles.

Cette thèse est une étude de l'origine des étoiles chaudes à grande vitesse et/ou à grande distance du plan galactique, à l'aide des données du satellite Hipparcos. L'existence de ce type d'étoiles montre une incohérence entre le temps de vie assigné par la théorie de l'évolution stellaire aux étoiles de type B et A de Population I et celui beaucoup plus long des mécanismes responsables de l'augmentation de la dispersion des vitesses. Dans un premier temps, l'effet de la rotation stellaire sur les magnitudes absolues tirées des parallaxes trigonométriques est analysé sur un échantillon d'étoiles A normales de séquence principale. Aucune variation significative n'est observée. Une méthode de détermination des vitesses radiales est développée pour les spectres observés avec le spectrographe Élodie (OHP). Elle permet le calcul de la vitesse radiale avec une précision de l'ordre de 1-2 km/s sans limitation due au vsini de l'étoile observée. Dans un second temps, un échantillon de 35000 étoiles de type B-A-F tirées du catalogue Hipparcos est analysé. 316 étoiles à grande vitesse sont identifiées et les différentes hypothèses expliquant leur origine sont discutées. En particulier, la contribution des blue stragglers est étudiée à l'aide d'un modèle de synthèse de populations. Il est montré que les blue stragglers du disque mince représentent une source d'étoiles à grande vitesse essentiellement dans les étoiles de type précoce (B et A) alors que les blue stragglers du disque épais concourent aux étoiles de type A tardif et F.

En une décade la recherche de systèmes planétaires a fournit environ 170 exoplanètes en orbites autour de presque 150 étoiles. Mon travail de thèse s'inscrit dans ce nouveaux champ de l'astrophysique en cherchant les planètes autour des naines M. Ces étoiles sont des étoiles de très faibles masses, ce travail tente donc de caractériser la formation planétaire pour le domaine des petites masses stellaires. <br /><br />Dans un premier temps j'appréhende le paradigme de la formation planétaire en exposant les propriétés statistiques des systèmes détectés d'une part et le modèle standard d'autre part. Je m'intéresse aux méthodes de détection, avec une attention toute particulière pour la méthode des vitesses radiales, ses atouts et ses limitations. C'est cette dernière méthode que nous employons pour nos différents programmes de recherche. Après une description de nos échantillons et des précisions obtenues avec chacun des instruments utilisés, je présente la détection d'une planète de la masse de Neptune en orbite autour d'une naine M. De manière concurrente j'analyse aussi une étoile dont le signal mesuré est vraisemblablement causé par l'activité stellaire. Ce parallèle me permet d'expliquer comment nous différencions un signal induit par une planète des fausses détections.<br /><br />Parce que pour les étoiles de type solaire le taux d'étoiles-à-planètes est une fonction fortement croissante avec la teneur en métaux des étoiles, une partie de ma thèse est ensuite consacrée à l'analyse de la métallicité des naines M.<br /><br />Enfin, la dernière partie du manuscrit est consacrée à une étude statistique qui borne précisément la fréquence de planètes géantes en orbite autour de naines M. Le faible taux mesuré est regardé à la lumière de notre étude sur la métallicité des naines M.

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Lorqu'une étoile a des compagnons planétaires, elle décrit un mouvement quasi épicycloïdal autour du centre de masse du système. Si l'orientation du plan de l'orbite le permet, un observateur situé sur la Terre peut détecter la composante de ce mouvement sur la ligne de visée grâce à l'effet Doppler. Il mesure ainsi la ``vitesse radiale de l'étoile''. Si cette vitesse présente des variations périodiques suffisamment claires, la présence de planètes peut être inférée et leurs orbites contraintes. Une des difficultés de l'analyse de telles mesures est qu'une combinaison de signaux de plusieurs planètes et de divers bruits peut être confondue avec l'effet d'une planète en réalité inexistante. Après avoir présenté les effets à prendre en compte pour analyser des données de vitesses radiales, nous abordons ce problème. Pour limiter son occurrence, nous utilisons un algorithme de poursuite de base modifié, dont on démontre l'efficacité sur des signaux réels et simulés. Nous abordons ensuite le problème de l'estimation des paramètres orbitaux pour un système donné ainsi que leur distribution pour une population de planètes. On s'intéresse en particulier à l'excentricité, dont on montre qu'elle est d'autant plus surestimée que le modèle du signal est mauvais. Nous proposons des solutions pour une estimation robuste des paramètres orbitaux. / When a star is orbited by planetary companions, it describes a nearly epicyclic motion around the center of mass of the system. When the orientation of the orbital plane is appropriate, an observer on Earth can measure the velocity of the star along the line of sight by Doppler effect. If this ``radial velocity'' presents clear enough periodic variations, the presence of planets can be inferred and their orbit can be constrained. Detection and estimation of orbits is made difficult by the photon noise, the unpredictable variations of luminosity of the star as well as instrumental faults. In particular, signals from several planets can add coherently with the noises and mimic the effect of a planet absent from the system. After listing the relevant effects to make inference on exoplanets from radial velocity data, we tackle this problem. To limit its rate of occurrence, we use a modified basis pursuit algorithm, allowing to search for several signals simultaneously. The efficiency of the method is demonstrated on real and simulated signals. We then address the problem of orbital parameters estimation for a given system, as well as the estimation of their distribution on a planet population. We look in detail at the eccentricity, and show that its overestimation increases as the model moves away from the correct one. We suggest methods for robust inference of orbital parameters.

Dans le cadre de la recherche de planètes extrasolaires et de naines brunes, cette thèse innove en se focalisant sur le cas d'étoiles naines de type spectral A et F, plus chaudes que le Soleil. J'ai développé une nouvelle méthode de mesure de vitesses radiales, que j'ai testée puis appliquée lors de recherches systématiques avec les spectrographes ELODIE et HARPS, qui a abouti pour le moment à la découverte de deux planètes et d'une naine brune, et de nombreux candidats. J'ai aussi développé des diagnostics de la présence de pulsations ou d'activité affectant la surface stellaire et les vitesses radiales mesurées. J'ai aussi conduit cette recherche en imagerie directe à haute résolution angulaire, en utilisant les instruments PUEO et NACO. Les compagnons candidats détectés doivent être confirmés. Cette recherche permettra d'établir les caractéristiques des planètes et naines brunes autour d'étoiles A et F, et l'influence de la masse de l'étoile-hôte sur les processus de formation.

Depuis la première détection d'une planète extrasolaire autour d'une étoile de type solaire par Mayor et Queloz (1995), plus de 1500 planètes ont été découverts. Actuellement il existe un énorme intérêt à découvrir et caractériser des planètes semblables à la Terre, en particulier celles situées dans la zone habitable de leur étoile hôte (définie comme la distance à l'étoile hôte où la température de la planète permet l'existence d'eau liquide à la surface). La détection de planètes de type terrestre, et la recherche de biomarqueurs dans leurs atmosphères sont parmi les principaux objectifs de l'astronomie du vingt et unième siècle. La méthode des vitesses radiales (VR), consistant à mesurer le mouvement réflexe de l'étoile induit par des planètes en orbite, est une remarquable technique pour atteindre cet objectif.Pour atteindre les précisions nécessaire à la detection de telles planètes il est absolument nécessaire de concevoir des spectrographes extrêmement stables, d'avoir une très bonne compréhension de l'activité stellaire (qui peut mimer l'effet d'une planète), d'effectuer un traitement soigneux de l'atmosphère terrestre (laquelle inévitablement laisse des empreintes dans les spectres acquis depuis le sol), et de disposer d'une puissante technique pour extraire, à partir des spectres, autant d'information Doppler que possible. La recherche de planètes orbitant autour des étoiles de très faible masse, plutôt qu'autour des étoiles de type solaire, permet d'aborder dès maintenant la détection de planètes de faible masse dans la zone habitable. En effet, en gardant tout les autres paramètres égaux, le mouvement réflexe (et donc l'amplitude de la variation VR) sera plus grande si l'étoile centrale est de très faible masse. De plus les naines M ont une plus faible luminosité que les étoiles de type solaire, il en resulte des périodes orbitales courtes des planètes dans la zone habitable (~50 jours pour les naines M contre ~360 jours pour des étoiles de type solaire), entraînant à nouveau en une plus grande amplitude des VR. Une précision de ~1 m/s en VR permet la détection d'une planète dans la zone habitable d'une naine M, alors que ~0.1 m/s sont nécessaire dans le cas d'une étoile de type solaire.Cette thèse vise à optimiser l'extraction de VR des spectres des naines M à haute résolution acquis avec le spectrographe HARPS (avec une possibilité d'applications futures sur d'autres instruments comme SOPHIE, HARPS-N et le prochain spectrographe infrarouge SPIRou - prochainement mis en service au CFHT). Les effets de l'activité stellaire des naines M seront également analysées, dans le contexte de la technique des VR. Divers traceurs d'activité stellaire sont utilisés pour rejeter des fausses détections ou pour étudier les relations entre l'activité magnétique et la rotation. Dans cette thèse (Chap. 3) je calibre pour la première fois le flux dans les raies H et K du Calcium en fonction de la luminosité bolométrique et je détermine la relation entre cet estimateur R'HK et la période de rotation des naines M. Dans le chapitre 4 je décris l'implémentation d'une méthode d'extraction de VR par une minimisation du Chi-deux entre un template spectral et les spectres observés. Je démontre que cette méthode est plus précise que celle classiquement utilisée. Les raies telluriques qui affectent les mesures VR sont prises en compte dans les procédures d'analyse. Ces méthodes sont testées sur des systèmes avec des candidats planétaires, je discuterais l'analyse de certains de ces systèmes. / Since the first detection of an extrasolar planet orbiting a Sun-like star by Mayor and Queloz (1995), more than 1500 have been discovered. Enormous interest is currently focused on finding and characterising Earth-like planets, in particular those located in the habitable zone of their host star (defined as the distance from the host star where the planet temperature allows liquid water to flow on its surface). Both the detection of Earth-like planets, and the search for biomarkers in their atmospheres are among the main objectives of the twenty-first century's astronomy. The method known as radial velocities (RV), that consists in the measure of the star's reflex motion induced by orbiting planets, is a promising technique to achieve that quest.The main difficulties with the RV technique are the needs of an extremely stable spectrograph, a correct understanding of stellar activity (which can mimic the effect of a planet), a careful treatment of our Earth's atmosphere (which inevitable imprints spectra taken from the ground), and the need to dispose of a powerful algorithm to extract as much Doppler information as possible from the recorded spectra. Search for planets orbiting very low-mass stars (M dwarfs) can more easily reach the goal of detecting low-mass planets in the habitable zone of their parent star, compared to solar-type stars. Indeed, everything else being equal, a lower mass of the host star implies a larger reflex motion, and thus a larger RV amplitude. Moreover, the lower luminosity of M dwarfs compared to Sun-like stars, implies shorter orbital periods from planets in the habitable zone (~50 days against ~360 days, for M dwarfs compared to solar-type stars, respectively), resulting again in a larger RV amplitude. A RV precision of ~1 m/s allows a planet detection in the habitable zone of an M dwarf, whereas ~0.1 m/s is required in the case of a solar-type stars.This thesis aims to optimise the RV extraction from HARPS high-resolution spectra (and to open similar analysis on other instruments like SOPHIE, HARPS-N and the upcoming infrared spectrograph SPIRou -- to be commissioned to the 3.6-m CFH-Telescope). The effects of stellar activity will also be analysed, and contextualised in the RV technique. Stellar activity tracers are used to reject false detections or to study the relationships between the stellar magnetic activity and rotation. In this thesis (Chap.ref{chap:mag_activity}) I calibrate for the first time the ratio between the Ca textrm{small II} Htextrm{small &}K chromospheric lines and the bolometric luminosity for M dwarfs. I determine a relationship between the R^prime_{HK}-index and the rotation period of M dwarfs. In chapter~ref{chap:template_matching} I describe my algorithm to extract RVs through a chi^2-minimisation between a stellar template and the observed spectra. I demonstrate the improved accuracy of this method. Telluric spectral lines also affect the measurements of RV and are taken into account in the analysis procedures. I tested these methods on systems with planetary candidates, and for some systems, I took in charge the Keplerian analysis.

Plus de 300 planètes extrasolaires ont été découvertes à ce jour. La variété et la diversité des caractéristiques qu'elles présentent sont extrêmement vastes. Et dans cette multitude, une population se distingue, les Jupiter-chauds. Ces planètes ne ressemblent, en effet, en rien à celles que l'on côtoie dans le Système Solaire. Elles ont une masse d'une à plusieurs fois celle de Jupiter et sont très proches de leur étoile parent, orbitant en seulement quelques jours. L'étude de cette population nous apporte beaucoup d'éléments quant à leur processus de formation et d'évolution. Certaines d'entre elles ont en effet la particularité de transiter devant leur étoile parent. Mes travaux de thèse m'ont mené à détecter et caractériser en densité 14 planètes extrasolaires, grâce aux programmes de recherche CoRoT et SuperWASP combinés au spectrographe SOPHIE (OHP). Parmi ces planètes figurent celles ayant la plus courte période orbitale et, autour d'une autre étoile, la plus importante masse jamais détectées en transit. Un programme novateur, que j'ai initié, nous a également permis d'explorer les capacités de détection d'un instrument de type multi-fibre (FLAMES/GIRAFFE et UVES). Nous avons montré que cet instrument peut être performant en terme de précision de mesure en vitesse radiale, et qu'il permet un très bon écrémage des cibles. L'instrument multi-fibre est utilisable également dans le cadre d'un suivi de candidats issus de programmes de recherche par photométrie, tels que la mission CoRoT , mais il nécessite dans ce cas, pour être eficace, d'un champ de vue significatif (de plusieurs degrés carrés par exemple). L'étude du transit spectroscopique de 3 systèmes planétaires m'a également permis d'apporter de fortes contraintes quant à leur processus de formation et d'évolution, et de mettre en évidence pour la première fois l'existence d'un système exotique : X0-3.

La recherche des exoplanètes traverse aujourd'hui une période décisive. D'un côté, notre connaissance des planètes géantes gazeuses s'est considérablement développée, et l'objectif de la recherche est maintenant de caractériser leurs propriétés physiques et de mieux comprendre leurs mécanismes de formation et d'évolution. D'un autre côté, la précision et la stabilité des instruments ont atteint un niveau qui rend techniquement possible la détection de planètes telluriques situées dans la zone habitable de leur étoile. Cependant, les perturbations du signal dues à l'étoile elle-même constituent un obstacle important à cette avancée. Mon travail de thèse se situe à la rencontre de ces problématiques. Il a consisté d'une part en l'analyse de deux relevés de vitesses radiales visant des étoiles relativement exotiques pour la recherche d'exoplanètes: les étoiles naines de type AF massives. Ce travail a donné lieu à la première caractérisation de la population de planètes géantes autour de ces étoiles et a montré que les mécanismes de migration planétaire étaient au moins partiellement inhibés autour de ces étoiles par rapport aux étoiles de type FGKM. Dans un second temps, j'ai conduit les observations et l'analyse des premiers résultats de deux grands relevés de vitesses radiales débutés pendant ma thèse et visant à détecter des planètes géantes en orbite autour d'étoiles jeunes et proches. Ces étoiles jeunes sont les seules sources pour lesquelles une exploration complète des planètes géantes à toutes les séparations devient possible, par combinaison des techniques de vitesses radiales et de l'imagerie. Cette combinaison permettra de tester de manière unique les modèles de formation et d'évolution planétaire. Les résultats provisoires de ces relevés indiquent une absence de planètes géantes à très courte séparation (Jupiters chauds) autour de nos cibles. Un autre résultat intéressant est la découverte d'une binaire spectroscopique eccentrique au centre d'un système planétaire imagé à grande séparation. Pour compléter cette approche observationnelle et mieux évaluer la détectabilité des exoplanètes semblables à la Terre, j'ai étalonné et caractérisé un modèle entièrement paramétré de l'activité d'une étoile semblable au Soleil et de son impact sur les vitesses radiales. Je l'ai dans un premier temps étalonné en comparant ses résultats à ceux obtenus à partir d'observations des zones actives du Soleil, puis je l'ai utilisé pour caractériser l'impact de l'inclinaison de l'étoile sur le signal induit par l'activité. Ce modèle paramétré ouvre de très nombreuses possibilités, étant en effet potentiellement adaptable à des types d'étoiles et d'activité différents. Il permettrait ainsi de caractériser les perturbations en vitesses radiales attendues pour chaque cas testé, et donc à la fois de déterminer quelles étoiles et quels types d'activité sont les plus favorables pour la détection de planètes de masse terrestre dans la zone habitable. En explorant ces trois problématiques en apparence très diverses mais complémentaires, j'y ai retrouvé un motif commun, celui de l'importance des étoiles elles-mêmes et de la physique stellaire pour la recherche d'exoplanètes. / The search for exoplanets has reached a decisive moment. On the one hand, our knowledge of giant gaseous planets has significantly developed, and the aim of the research is now to characterize their physical properties and to better understand the formation and evolution processes. On the other hand, the instrumental precision and stability have reached a level that makes it technically possible to detect telluric planets in the habitable zone of their host star. However, the signal alterations induced by the star itself definitely challenge this breakthrough. My PhD stands at the crossroads of these problems. It consisted first in the analysis of two radial velocity surveys dedicated to stars somewhat exotic to exoplanet searches: the massive AF dwarf stars. This work has led to the first characterization of the giant planet population found around these stars and has showed that the planetary migration mechanisms were at least partially inhibited around these stars compared to FGKM stars. I then made the observations and the first analysis of two radial velocity surveys dedicated to the search for giant planets around young, nearby stars. Young stars are the only sources for which a full exploration of the giant planets at all separations can be reached, through the combination of radial velocities techniques and direct imaging. Such a combination will allow to test uniquely the planetary formation and evolution processes. The first results of these surveys show an absence of giant planets at very short separations (Hot Jupiters) around our targets. Another interesting result is the detection of an eccentric spectroscopic binary at the center of a planetary system imaged at a wide separation. To complete this observational approach and better estimate the detectability of Earth-like planets, I calibrated and characterized a fully parameterized model of the activity pattern of a Sun-like star and its impact on the radial velocities. I first calibrated it by comparing it to the results obtained with observations of the solar active structures, and then characterized the impact of stellar inclination on the activity-induced signal. Such a fully parameterized model is potentially adaptable to different types of stars and of activity and would thus allow to characterize the expected radial velocity jitter for each tested case, and then allow both to determine which types of stars and of activity patterns are the most favorable for detecting Earth-like planets in the habitable zone. While investigating these three seemingly different but complementary topics, I found that they shared a basic feature, namely the importance of the stars themselves and of stellar physics in exoplanet searches.