Depuis maintenant 15 ans, le domaine de la détection d'exoplanètes s'est largement développé. L'utilisation de méthodes de détection, indirectes d'abord, a permis de découvrir pas moins de 420 nouveaux "mondes", parfois surprenants. Forts de cela, les scientifiques cherchent maintenant à caractériser ces exoplanètes. Ainsi des projets spatiaux, se basant sur la méthode de l'interférométrie annulante, ont pour but de réaliser des spectres de planètes géantes et telluriques. Compte tenu de la complexité de ces missions, la nécessité de tester, d'abord en laboratoire, certains aspects technologiques comme le principe de l'interférométrie annulante, est rapidement apparue. En 2006, le CNES a décidé de mener une étude R&D de la charge utile d'un interféromètre annulant a deux télescopes (typiquement l'instrument PEGASE). Ainsi, le banc de test PERSEE (Pegase Experiment for Research and Stabilization of Extreme Extinction) est né. Ce banc est le premier banc de test couplant un interféromètre annulant avec un système permettant d'introduire des perturbations calibrées typiques du vol en formation et de les corriger grâce a des boucles actives. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la conception, de l'étude et du développement d'un des sous-systèmes du banc : le module de recombinaison interférométrique. Ce module est dérivé du concept de l'interféromètre de "Mach-Zehnder Modifié" proposé par Serabyn et al. (2001). Il a la particularité de combiner à la fois les faisceaux scientifiques permettant de faire de l'interférométrie annulante et les faisceaux du système de métrologie, ceci afin de minimiser les chemins différentiels entre les deux voies.

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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.

Les observations directes, notamment spectroscopiques, permettront de déterminer la nature et la composition chimique de l'atmosphère des "Jupiter chauds", mais il est essentiel d'élaborer préliminairement un modèle atmosphérique théorique dans le but de contraindre les techniques d'observation. Dans cette optique, nous avons développé un modèle d'équilibre radiatif adapté aux planètes extrasolaires de type jovien, chauffées par leur étoile centrale. La modélisation fournit la détermination de la structure thermique moyenne, mais aussi le spectre réfléchi et le spectre d'émission thermique pour des planètes de distance orbitale 0.05 `a 1 unité astronomique. Dans ce modèle, l'atmosphère est limitée au bas par un nuage optiquement épais. Dans tous les cas, un résultat majeur du modèle est marqué par l'absence d'inversion de température dans la structure thermique de l'atmosphère, contrairement aux planètes géantes du Système Solaire. A l'exception de la planète la plus distante (1 UA) de l'échantillon des planètes modélisées, nous trouvons que l'atmosphère est subadiabatique sur toute la grille de pression, ce qui valide l'hypothèse d'équilibre radiatif. La distribution verticale des espèces chimiques les plus abondants de l'atmosphère, dans des conditions solaires, est discutée selon la distance de la planète à l'étoile. Le spectre d'émission thermique est dominé par les bandes de l'eau, vues en absorption, et révèle une fenêtre à 4 μm, accompagnée d'un flux de plus en plus fort `a 10 μm pour les plan`etes les plus froides. Nous avons enfin étudié la détectabilité des signatures spectrales de l'atmosphère des "Jupiters chauds", au foyer de grands télescopes (VLT, Keck, ...) en mode non-interférométrique. Les spectres synthétiques ont été calculés pour 51 Peg b (Teff=1200 K) en particulier, dans la bande nu3 de CH4 et (1-0) de CO.

Cette thèse contribue à la recherche de planètes extra-solaires à partir d'instruments au sol imageant une étoile et son environnement très proche. Le grand contraste lumineux et la proximité entre une potentielle exoplanète et son étoile parente rendent la détection de l'exoplanète extrêmement difficile. Une modélisation qualitative et probabiliste fine des données et l'utilisation de méthodes d'inférence adaptées permettent d'accroître a posteriori les performances des instruments. Cette thèse se focalise ainsi sur l'étape de traitement des données et sur un problème de méthodologie statistique plus général. Chaque étude est abordée sous des angles théoriques et appliqués. La thèse décrit d'abord les données attendues pour le futur instrument SPHERE du Very Large Telescope, simulées à partir d'une modélisation physique détaillée. Un modèle probabiliste simple de ces données permet notamment de construire une procédure d'identification de candidats. Les performances des inférences sont aussi étudiées à partir d'un modèle décrivant de façon plus réaliste les bruits caractérisant les images (bruit de speckle corrélé, bruit de Poisson). On souligne la différence entre les probabilités de fausse alarme calculées à partir du modèle simple et à partir du modèle réaliste. Le problème est ensuite traité dans le cadre bayésien. On introduit et étudie d'abord un outil original de test d'hypothèses : la distribution a posteriori du rapport de vraisemblance, notée PLR. Son étude théorique montre notamment que dans un cadre d'invariance standard le PLR est égal à une p-value fréquentiste. Par ailleurs, un modèle probabiliste des données est développé à partir du modèle initial et un modèle probabiliste de l'intensité de l'exoplanète est proposé. Ils sont finalement utilisés dans le PLR et le facteur de Bayes.

La détection directe de planètes extrasolaires est nécessaire à leur caractérisation. Cependant, c'est une tâche difficile à cause de la faible séparation angulaire, et du fort contraste entre l'étoile et sa planète. L'interférométrie annulante est une solution possible, mais elle requiert l'utilisation d'un déphaseur achromatique. Cette thèse en étudie un nouveau, dit "damier de phase". Il s'agit de deux miroirs ou lames transparentes composés de plusieurs cellules, dont la position et le déphasage introduit est contraint par un modèle mathématique. Le principal effet est que pour un niveau d'atténuation donné, plus on augmente le nombre de cellules dans les damiers, et la plus la bande passante s'élargit, ce qui traduit un comportement quasi-achromatique. Un banc optique automatisé a été construit afin de mesurer l'atténuation produite par les damiers dans le visible. Les premiers résultats ont été obtenus avec des damiers fabriqués par photolithogravure sur une lame transparente, et une atténuation d'un facteur 500 a été mesurée avec un laser blanc. Les erreurs sur le déphasage des cellules sont le principal facteur de perte de performances. Or celles engendrées par la fabrication de ce type de damiers étant irréversibles, il a été choisi de travailler avec un miroir segmenté qui permet de les contrôler. Afin de synthétiser les damiers, le contrôle du déphasage effectif de chaque cellule est nécessaire et se fait au moyen de la strioscopie. Ainsi, on a pu mesurer le comportement des damiers en fonction de la longueur d'onde, et valider expérimentalement leur comportement quasi-achromatique des damiers.

L'observation des exoplanètes pose deux problèmes : le contraste entre la planète et l'étoile et leur très faible séparation. L'une des techniques permettant de résoudre ces difficultés est l'interférométrie en frange noire : deux pupilles sont recombinés pour faire une interférence destructive sur l'étoile, et leur base est réglée pour que l'interférence soit constructive sur la planète. Cependant, pour garantir une extinction suffisante de l'étoile, la différence de trajet optique entre les faisceaux doit être de l'ordre du nanomètre, et le pointage meilleur que le centième de tache d'Airy, malgré les perturbations extérieures.Pour valider les points critiques d'une telle mission spatiale, un démonstrateur de laboratoire, PERSÉE, a été défini par un consortium dirigé par le CNES et incluant l'IAS, le LESIA, l'ONERA, l'OCA et Thales Alenia Space puis intégré à l'Observatoire de Meudon. Ce banc simule une mission spatiale dans son ensemble (interféromètre et cophasage nanométrique). Son objectif est de délivrer et maintenir une extinction de 10^-4 stabilisé à mieux que 10^-5 sur plusieurs heures, en présence de perturbations typiques que l'on injecte.Mon travail de thèse a consisté à intégrer le banc en étapes successives et à développer des procédures d'étalonnage. Ceci m'a aidé à caractériser les différents éléments critiques séparément avant de les regrouper. Après avoir mis en œuvre les boucles de contrôle du cophasage, leur analyse précise m'a permis de réduire à 0,3 nm rms le résidu de différence de marche, et à 0,4 % de la tache d'Airy le résidu de tip/tilt, malgré la présence de perturbations d'une dizaine de nanomètres d'amplitude, constituées de plusieurs dizaines de fréquences vibratoires entre 1 et 100 Hz. Cela a été possible grâce à l'implémentation d'un contrôleur linéaire quadratique gaussien, paramétré par la mesure préalable de la perturbation pour la réduire au maximum. Grâce à ces très bons résultats, j'ai pu obtenir un taux d'extinction record sur la bande [1,65 – 2,45] µm de 8,8x10^-6 stabilisé à 9x10^-7 sur quelques heures, soit une décade meilleure que les spécifications initiales. L'extrapolation de ces résultats au cas d'une mission spatiale montre que les performances attendues sont atteignables si le flux disponible est suffisamment important. Avec des télescopes de 40 cm et une fréquence d'asservissement de l'ordre de 100 Hz, des étoiles de magnitude inférieure à 9 devraient être observables. / There are two problems with the observation of exoplanets: the contrast between the planet and the star and their very low separation. One technique solving these problems is nulling interferometry: two pupils are recombined to make a destructive interference on the star, and their base is adjusted to create a constructive interference on the planet. However, to ensure a sufficient extinction of the star, the optical path difference between the beams must be around the nanometer, and the pointing must be better than one hundredth of Airy disk, despite the external disturbances.To validate the critical points of such a space mission, a laboratory demonstrator, PERSÉE, was defined by a consortium led by CNES, including IAS, LESIA, ONERA, OCA and Thales Alenia Space and integrated in Meudon Observatory. This bench simulates the entire space mission (interferometer and nanometric cophasing system). Its goal is to deliver and maintain an extinction of 10^-4 stable at better than 10^-5 over a few hours in the presence of typical injected disturbances.My thesis work consisted in integrating the bench in successive stages and to develop calibration procedures. This helped me to characterize the critical elements separately before grouping them. After having implemented the control loops of the cophasing system, their precise analysis helped me to reduce down to 0.3 nm rms the residual OPD, and 0.4 % of the Airy disk the residual tip/tilt, despite disturbances of tens of nanometers, consisting of several tens of vibrational frequencies between 1 and 100 Hz. This has been achieved by the implementation of a linear quadratic Gaussian controller, parameterized by the preliminary measurement of the disturbance to minimize. Thanks to these excellent results, I obtained on the band [1.65 – 2.45] µm a record null rate of 8.8x10^-6 stabilized at 9x10^-7 over a few hours, a decade better than the original specifications. An extrapolation of these results to the case of a space mission shows that the expected performance is achievable if the available flux is sufficiently important. With telescopes of 40 cm and a control frequency around 100 Hz, stars brighter than magnitude 9 should be observable.

La majorité des exoplanètes connues à ce jour ont été découvertes par la méthode du transit, qui infère indirectement l’existence de tels objets, si l’alignement le permet, en mesurant la baisse temporaire et répétée de la brillance d’une étoile lors du passage d’une exoplanète devant celle-ci. La recherche de biosignatures, donc de vie, dans l’atmosphère d’une exoplanète est désormais le principal objectif dans ce domaine d’études, et pour maintes raisons, celles de taille de moins d’approximativement deux rayons terrestres autour d’étoiles naines rouges sont particulièrement convoitées. Afin de connaître davantage de tels systèmes dans le voisinage solaire et dans toutes les régions du ciel, le Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) fut lancé en avril 2018. Le grand échantillonnage de 21'' par pixel des caméras à bord de TESS résulte fréquemment à une contamination des données des étoiles d’intérêt montrant un signal prometteur de transit, par le flux d’autres étoiles à proximité. Lorsque l’une de ces sources contaminantes est une étoile binaire à éclipses, phénomène astrophysique pouvant mimer un transit, la détection constitue très souvent un événement faux positif. Ainsi, de nouvelles observations photométriques et spectroscopiques sont généralement requises pour identifier les véritables exoplanètes. Ce mémoire présente les résultats du suivi photométrique de neuf candidates exoplanètes identifiées par TESS à l’Observatoire du Mont-Mégantic avec la caméra Planètes Extra-Solaires en Transit et Occultations (PESTO). Une routine d’ajustement de courbe de transit développée durant cette maîtrise procure une estimation de certains paramètres physiques (rayons, demi-grand axe et inclinaison) des candidates. Parmi celles-ci, TOI 1452.01 ressort du lot, car cette probable exoplanète d’environ deux rayons terrestres orbite dans la zone habitable de son hôte naine rouge, c’est-à-dire à une distance permettant la présence d’eau liquide à sa surface. / The majority of the exoplanets known to date have been discovered using the transit method, which indirectly infers the existence of such objects by measuring a temporary and repeated drop in the brightness of a star when, for the right alignement, an exoplanet passes in front of it. The search for biosignatures, thus life, in an exoplanet atmosphere is now the main objective in this field of study, and for several reasons, planets with a radius less than approximately two Earth radii around red dwarfs are particularly targeted. With the goal of finding more such systems in the solar neighbourhood and in all regions of the sky, the Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) was launched in April 2018. The large image sampling of 21'' per pixel of the cameras on board TESS often results in data contamination of stars showing promising transit signal, by the flux of nearby stars. If one of these contaminating sources happens to be an eclipsing binary, an astrophysical phenomenon able to mimic a transit, the detection is most likely a false positive event. Thus, follow-up observations in photometry and in spectroscopy are generally required to identify the genuine exoplanets. This thesis presents the results of a photometric monitoring campaign at the Observatoire du Mont-Mégantic with the Planètes Extra-Solaires en Transit et Occultations (PESTO) camera of nine exoplanet candidates identified by TESS. A transit curve fitting routine developed during this master’s provides an estimation for certain physical parameters (radius, semi-major axis and inclination) of these candidates. Among them, TOI 1452.01 stands out, because this probable exoplanet has an estimated radius close to two Earth radii, in addition to being located within the habitable zone of its red dwarf host, i.e. at a distance allowing the presence of liquid water on its surface.