La découverte de nombreuses planètes extrasolaires depuis 1995 est une source d’inspiration pour les modèles de formation et évolution des systèmes solaires. Une fraction de ces planètes ont un demi-grand axe inférieur à 0.1 UA; une planète qui migre à proximité de son étoile subit donc d’abord un fort vent solaire et, après son entrée dans la magnétosphère stellaire, un fort champ magnétique. Nous étudions séparemment l’interaction entre ces planètes et la composante périodique et indépendente du temps du champ magnétique dipolaire stellaire. L’interaction périodique est associée à des courants induits confinés dans la planète. Nous étudions deux effets qui pourraient augmenter le moment angulaire d’une planète gaseuse géante qui migre vers son étoile: un torque de Lorentz qui transferre du moment angulaire de la rotation de l’étoile vers l’orbite de la planète et une perte de masse induite par la dissipation ohmique dans la planète qui peut donner du moment angulaire à la planète lorsque cette masse est accrétée sur l’étoile. Nous modellisons l’interaction indépendente du temps comme un modèle d’inducteur unipolaire, dans lequel le courant induit circule dans une boucle fermée formée par la planète, le flux de tube, et le pied du flux de tube dans l’atmosphère stellaire. Nous calculons de fa con cohérente la dissipation ohmique dans la planète et le pied du flux de tube ainsi que le couple de Lorentz. Nous utilisons alors ce modèle pour expliquer l’aspect enflé de certaines planètes géantes. Finalement, nous suggérons que ce modèle permettrait également d’estimer la conductivité électrique des super-Terres qui interagissent magnétiquement avec leur étoile. / The numerous and diverse extrasolar planets detected since 1995 provide much inspiration for planetary astrophysics. A fraction of these extrasolar planets orbit their host stars at semi-major axes less than 0.1 AU; a planet which has migrated toward its host star would thus first encounter a strong magnetized wind and, as it enters the stellar magnetosphere, strong magnetic fields. We model the interaction of such a close-in extrasolar planet with the dipolar magnetic field of its host star and study separately the time-dependent and independent components. The time-dependent interaction gives rise to Eddy currents confined in the planet. We investigate two effects that may transfer angular momentum to a planet approaching its host TTauri star through type II migration: a Lorentz torque that transfers angular momentum from the stellar spin to the planetary orbit and a mass loss induced by the ohmic dissipation in the planet, which may transfer angular momentum to the planet as the gas is accreted onto the star. We model the time-independent interaction with the unipolar inductor model, which allows the current induced in the planet to flow along a closed loop constituted by the planet, the flux tube, and its footprint on the stellar atmosphere. We self-consistently calculate the ohmic dissipation in the planet and the star and the associated Lorentz torque. We then suggest that the ohmic dissipation may provide the extra energy needed to explain some planets with inflated radii. Finally, we propose that the model may also be used to remotely infer the electric conductivity of the outer layers of super-Earths interacting magnetically with their host stars.

Parmi les méthodes qui permettent de détecter des exoplanètes, la photométrie des transits est celle qui a connu le plus grand essor ces dernières années grâce à l’arrivée des télescopes spatiaux CoRoT (en 2006) puis Kepler (en 2009). Ces deux satellites ont permis de détecter des milliers de transits potentiellement planétaires. Étant donnés leur nombre et l’effort nécessaire à la confirmation de leur nature, il est essentiel d’effectuer, à partir des données photométriques, un classement efficace permettant d’identifier les transits les plus prometteurs et qui soit réalisable en un temps raisonnable. Pour ma thèse, j’ai développé un outil logiciel, rapide et automatisé, appelé BART (Bayesian Analysis for the Ranking of Transits) qui permet de réaliser un tel classement grâce une estimation de la probabilité que chaque transit soit de nature planétaire. Pour cela, mon outil s’appuie notamment sur le formalisme bayésien des probabilités et l’exploration de l’espace des paramètres libres par méthode de Monte Carlo avec des chaînes de Markov (mcmc).Une fois les exoplanètes détectées, l’étape suivante consiste à les caractériser. L’étude du système solaire nous a démontré, si cela était nécessaire, que l’information spectrale est un point clé pour comprendre la physique et l’histoire d’une planète. L’interférométrie annulante est une solution technologique très prometteuse qui pourrait permettre cela. Pour ma thèse, j’ai travaillé sur le banc optique Nulltimate afin d’étudier la faisabilité de certains objectifs technologiques liés à cette technique. Au-delà de la performance d’un taux d’extinction de 3,7.10^-5 en monochromatique et de 6,3.10^-4 en polychromatique dans l’infrarouge proche, ainsi qu’une stabilité de σN30 ms = 3,7.10^-5 estimée sur 1 heure, mon travail a permis d’assainir la situation en réalisant un budget d’erreur détaillé, une simulation en optique gaussienne de la transmission du banc et une refonte complète de l’informatique de commande. Tout cela m’a finalement permis d’identifier les faiblesses de Nulltimate. / From all exoplanet detection methods, transit photometry went through the quickest growth over the last few years thanks to the two space telescopes, CoRoT (in 2006) and Kepler (in 2009). These two satellites have identified thousands of potentially planetary transits. Given the number of detected transits and the effort required to demonstrate their natures, it is essential to perform, from photometric data only, a ranking allowing to efficiently identify the most promising transits within a reasonable period of time. For my thesis, I have developed a quick and automated software called bart (Bayesian Analysis for the Ranking of Transits) which realizes such a ranking thanks to the estimation of the probability regarding the planetary nature of each transit. For this purpose, I am relying on the Bayesian framework and free parameter space exploration with Markov Chain Monte Carlo (mcmc) methods.Once you have detected exoplanets, the following step is to characterise them. The study of the solar system demonstrated, if it was necessary, that the spectral information is a crucial clue for the understanding of the physics and history of a planet. Nulling interferometry is a promising solution which could make this possible. For my thesis, I worked on the optical bench Nulltimate in order to study the feasibility of certain technological requirements associated with this technique. Beyond the obtention of a nulling ratio of 3,7.10^-5 in monochromatic light and 6,3.10^-4 in polychromatic light in the near infrared, as well as a stability of σN30 ms = 3,7.10^-5 estimated on 1 hour, my work allowed to clarify the situation thanks to a detailed error budget, a simulation of the transmission based on Gaussian beam optics and a complete overhaul of the computer control system. All of this finally resulted in the identification of the weaknesses of Nulltimate.

The detection of low-mass extra-solar planets through radial-velocity searches is currently limited by the intrinsic magnetic activity of the host stars. The correlated noise that arises from their natural radial-velocity variability can easily mimic or conceal the orbital signals of super-Earth and Earth-mass extra-solar planets. I developed an intuitive and robust data analysis framework in which the activity-induced variations are modelled with a Gaussian process that has the frequency structure of the photometric variations of the star, thus allowing me to determine precise and reliable planetary masses. I applied this technique to three recently discovered planetary systems: CoRoT-7, Kepler-78 and Kepler-10. I determined the masses of the transiting super-Earth CoRoT-7b and the small Neptune CoRoT-7c to be 4.73 ± 0.95 M⊕ and 13.56 ± 1.08 M⊕, respectively. The density of CoRoT-7b is 6.61 ± 1.72 g.cm⁻³, which is compatible with a rocky composition. I carried out Bayesian model selection to assess the nature of a previously identified signal at 9 days, and found that it is best interpreted as stellar activity. Despite the high levels of activity of its host star, I determined the mass of the Earth-sized planet Kepler-78b to be 1.76 ± 0.18 M⊕. With a density of 6.2(+1.8:-1.4) g.cm⁻³, it is also a rocky planet. I found the masses of Kepler-10b and Kepler-10c to be 3.31 ± 0.32 M⊕ and 16.25 ± 3.66 M⊕, respectively. Their densities, of 6.4(+1.1:-0.7) g.cm⁻³ and 8.1 ± 1.8 g.cm⁻³, imply that they are both of rocky composition – even the 2 Earth-radius planet Kepler-10c! In parallel, I deepened our understanding of the physical origin of stellar radial-velocity variability through the study of the Sun, which is the only star whose surface can be imaged at high resolution. I found that the full-disc magnetic flux is an excellent proxy for activity-induced radial-velocity variations; this result may become key to breaking the activity barrier in coming years. I also found that in the case of CoRoT-7, the suppression of convective blueshift leads to radial-velocity variations with an rms of 1.82 m.s⁻¹, while the modulation induced by the presence of dark spots on the rotating stellar disc has an rms of 0.46 m.s⁻¹. For the Sun, I found these contributions to be 2.22 m.s⁻¹ and 0.14 m.s⁻¹, respectively. These results suggest that for slowly rotating stars, the suppression of convective blueshift is the dominant contributor to the activity-modulated radial-velocity signal, rather than the rotational Doppler shift of the flux blocked by starspots.

The atmospheres of exoplanets are being characterised in increasing detail by observational facilities and will be examined with even greater clarity with upcoming space based missions such as the James Webb Space Telescope (JWST) and the Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST). A major component of exoplanet atmospheres is the presence of cloud particles which produce characteristic observational signatures in transit spectra and influence the geometric albedo of exoplanets. Despite a decade of observational evidence, the formation, dynamics and radiative-transport of exoplanet atmospheric cloud particles remains an open question in the exoplanet community. In this thesis, we investigate the kinetic chemistry of cloud formation in hot Jupiter exoplanets, their effect on the atmospheric dynamics and observable properties. We use a static 1D cloud formation code to investigate the cloud formation properties of the hot Jupiter HD 189733b. We couple a time-dependent kinetic cloud formation to a 3D radiative-hydrodynamic simulation of the atmosphere of HD 189733b and investigate the dynamical properties of cloud particles in the atmosphere. We develop a 3D multiple-scattering Monte Carlo radiative-transfer code to post-process the results of the cloudy HD 189733b RHD simulation and compare the results to observational results. We find that the cloud structures of the hot Jupiter HD 189733b are likely to be highly inhomogeneous, with differences in cloud particle sizes, number density and composition with longitude, latitude and depth. Cloud structures are most divergent between the dayside and nightside faces of the planet due to the instability of silicate materials on the hotter dayside. We find that the HD 189733b simulation in post-processing is consistent with geometric albedo observations of the planet. Due to the scattering properties of the cloud particles we predict that HD 189733b will be brighter in the upcoming space missions CHaracterising ExOPlanet Satellite (CHEOPS) bandpass compared to the Transiting Exoplanet Space Survey (TESS) bandpass.

The existence of other habitable worlds and the possible development of life elsewhere in the Universe have been among mankinds fundamental questions for thousands of years. These interrogations about our origins and place in the Universe are today at the dawn of being answered in scientific terms. The key year was 1995 with the discovery of the first extrasolar planet orbiting around a solar-type star. About 400 extrasolar planets are known today and the possibility to identify habitable worlds and even life among them largely contributes to the growing interest about their nature and properties. However, characterizing planetary systems is a very difficult task due to both the huge contrast and the small angular separation between the host stars and their environment. New techniques have emerged during the past decades with the purpose of tackling these fantastic observational challenges. In that context, infrared interferometry is a very promising technique, since it provides the required angular resolution to separate the emission of the star from that of its environment. This dissertation is devoted to the characterization of extrasolar planetary systems using the high angular resolution and dynamic range capabilities of infrared interferometric techniques. The first part of the present work is devoted to the detection with current interferometric facilities of warm dust within the first few astronomical units of massive debris discs around nearby stars. In order to extend the imaging of planetary systems to fainter discs and to extrasolar planets, we investigate in a second step the performance of future space-based nulling interferometers and make a comparison with ground-based projects. Finally, the third part of this work is dedicated to the impact of exozodiacal discs on the performance of future life-searching space missions, the goal being to characterize extrasolar planets with sizes down to that of the Earth.

La détection et la caractérisation d'exoplanètes apparaissent clairement comme des thèmes centraux de l'observation astronomique pour les années à venir. Les projets spatiaux ou au sol sont nombreux (HARPS, CoRoT, Kepler, JWST, SPHERE...), mais les études théoriques visant à l'analyse et à la compréhension des données recueillies et à venir sont nécessaires. Durant cette thèse j'ai étudié divers processus physiques affectant la structure interne et l'évolution des planètes géantes, aussi bien au sein, qu'à l'extérieur de notre système solaire. J'ai notamment modélisé en détail: -L'impact de l'irradiation intense émise par l'étoile sur l'atmosphère d'une planète à faible distance orbitale, et l'effet induit sur l'évolution interne de cette planète. -Le couplage par dissipation de marée de l'évolution orbitale et thermique d'une planète interagissant avec sa proche étoile parente. -L'effet de la déformation due aux marées sur les paramètres observables d'une planète en transit grâce au suivi photométrique de son passage devant l'étoile. -L'incidence sur la structure et l'évolution d'une diminution de l'efficacité du transport de chaleur par convection due à un gradient d'éléments lourd dans l'enveloppe gazeuse d'une planète géante, conduisant au phénomène de convection double-diffusive. A travers l'étude des ces divers processus, j'ai développé différents modèles analytiques et codes numériques qui sont à la fois flexibles et robustes, et qui permettent maintenant d'étudier certaines propriétés des nouveaux objets substellaires détectés à mesure qu'ils sont découverts. / The detection and characterization of extrasolar planets clearly appears as one of the main goals of observational astronomy for the coming years. Space and ground project are numerous, but theoretical studies aimed at analyzing and understanding available and future data are needed. During this thesis, I study various physical processes affecting the internal structure and evolution of both solar, and extrasolar giant planets. In particular I investigate : -the impact of the intense stellar irradiation received by a close in planet on its subsequent internal evolution. This allows me to quantify the radius anomaly of bloated Hot Jupiters and to constrain their internal composition. -the tidal and centrifugal distortion of a fluid planet. By using both analytical and numerical models, I show how non-sphericity of the planet affects transit measurements, yielding an underestimation of its radius. -how the presence of double-diffusive convection caused by a heavy elements gradient in the gaseous envelope of a planet can decrease the efficiency of its internal heat transport, and affect its structure and evolution. -the coupling between the orbital and the thermal evolution of a planet arising from the strong star-planet tidal interaction. Subsequently, I find that tidal heating alone is not a viable explanation for the observed radius anomaly of transiting planets. Through these different studies, I developed various analytical models and numerical codes that are both flexible and robust, and which now allow one to study the properties of new extrasolar planets and brown dwarfs as they are discovered.

Cette thèse porte sur la capacité à détecter des compagnons de faible intensité en présence de bruit de tavelures dans le contexte de l’imagerie à haute gamme dynamique pour l’astronomie spatiale. On s’intéressera plus particulièrement à l’imagerie spectrale différentielle (ISD) obtenue en utilisant un étalon Fabry-Pérot comme filtre accordable. Les performances d’un tel filtre accordable sont présentées dans le cadre du Tunable Filter Imager (TFI), instrument conçu pour le télescope spatial James Webb (JWST). La capacité de l’étalon à supprimer les tavelures avec ISD est démontrée expérimentalement grâce à un prototype de l’étalon installé sur un banc de laboratoire. Les améliorations de contraste varient en fonction de la séparation, s’étendant d’un facteur 10 pour les séparations supérieures à 11 lambda/D jusqu’à un facteur 60 à 5 lambda/D. Ces résultats sont cohérents avec une étude théorique qui utilise un modèle basé sur la propagation de Fresnel pour montrer que les performances de suppression de tavelures sont limitées par le banc optique et non pas par l’étalon. De plus, il est démontré qu’un filtre accordable est une option séduisante pour l’imagerie à haute gamme dynamique combinée à la technique ISD. Une seconde étude basée sur la propagation de Fresnel de l’instrument TFI et du télescope, a permis de définir les performances de la technique ISD combinée avec un étalon pour l’astronomie spatiale. Les résultats prévoient une amélioration de contraste de l’ordre de 7 jusqu’à 100, selon la configuration de l’instrument. Une comparaison entre ISD et la soustraction par rotation a également été simulée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre porte sur les performances de la technique ISD dans le cadre de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), conçu pour remplacer TFI comme module scientifique à bord du Fine Guidance Sensor du JWST. Cent quatre objets localisés vers la région centrale de la nébuleuse d’Orion ont été caractérisés grâce à un spectrographe multi-objet, de basse résolution et multi-bande (0.85-2.4 um). Cette étude a relevé 7 nouvelles naines brunes et 4 nouveaux candidats de masse planétaire. Ces objets sont utiles pour déterminer la fonction de masse initiale sous-stellaire et pour évaluer les modèles atmosphériques et évolutifs futurs des jeunes objets stellaires et sous-stellaires. Combinant les magnitudes en bande H mesurées et les valeurs d’extinction, les objets classifiés sont utilisés pour créer un diagramme de Hertzsprung-Russell de cet amas stellaire. En accord avec des études antérieures, nos résultats montrent qu’il existe une seule époque de formation d’étoiles qui a débuté il y a environ 1 million d’années. La fonction de masse initiale qui en dérive est en accord avec des études antérieures portant sur d’autres amas jeunes et sur le disque galactique. / This thesis determines the capability of detecting faint companions in the presence of speckle noise when performing space-based high-contrast imaging through spectral differential imagery (SDI) using a low-order Fabry-Perot etalon as a tunable filter. The performance of such a tunable filter is illustrated through the Tunable Filter Imager (TFI), an instrument designed for the James Webb Space Telescope (JWST). Using a TFI prototype etalon and a custom designed test bed, the etalon’s ability to perform speckle-suppression through SDI is demonstrated experimentally. Improvements in contrast vary with separation, ranging from a factor of 10 at working angles greater than 11 lambda/D and increasing up to a factor of 60 at 5 lambda/D. These measurements are consistent with a Fresnel optical propagation model which shows the speckle suppression capability is limited by the test bed and not the etalon. This result demonstrates that a tunable filter is an attractive option to perform high-contrast imaging through SDI. To explore the capability of space-based SDI using an etalon, we perform an end-to-end Fresnel propagation of JWST and TFI. Using this simulation, a contrast improvement ranging from a factor of 7 to 100 is predicted, depending on the instrument’s configuration. The performance of roll-subtraction is simulated and compared to that of SDI. The SDI capability of the Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), the science instrument module to replace TFI in the JWST Fine Guidance Sensor is also determined. Using low resolution, multi-band (0.85-2.4 um) multi-object spectroscopy, 104 objects towards the central region of the Orion Nebular Cluster have been assigned spectral types including 7 new brown dwarfs, and 4 new planetary mass candidates. These objects are useful for determining the substellar initial mass function and for testing evolutionary and atmospheric models of young stellar and substellar objects. Using the measured H band magnitudes, combined with our determined extinction values, the classified objects are used to create an Hertzsprung-Russell diagram for the cluster. Our results indicate a single epoch of star formation beginning 1 Myr ago. The initial mass function of the cluster is derived and found to be consistent with the values determined for other young clusters and the galactic disk.

Cette thèse porte sur la capacité à détecter des compagnons de faible intensité en présence de bruit de tavelures dans le contexte de l’imagerie à haute gamme dynamique pour l’astronomie spatiale. On s’intéressera plus particulièrement à l’imagerie spectrale différentielle (ISD) obtenue en utilisant un étalon Fabry-Pérot comme filtre accordable. Les performances d’un tel filtre accordable sont présentées dans le cadre du Tunable Filter Imager (TFI), instrument conçu pour le télescope spatial James Webb (JWST). La capacité de l’étalon à supprimer les tavelures avec ISD est démontrée expérimentalement grâce à un prototype de l’étalon installé sur un banc de laboratoire. Les améliorations de contraste varient en fonction de la séparation, s’étendant d’un facteur 10 pour les séparations supérieures à 11 lambda/D jusqu’à un facteur 60 à 5 lambda/D. Ces résultats sont cohérents avec une étude théorique qui utilise un modèle basé sur la propagation de Fresnel pour montrer que les performances de suppression de tavelures sont limitées par le banc optique et non pas par l’étalon. De plus, il est démontré qu’un filtre accordable est une option séduisante pour l’imagerie à haute gamme dynamique combinée à la technique ISD. Une seconde étude basée sur la propagation de Fresnel de l’instrument TFI et du télescope, a permis de définir les performances de la technique ISD combinée avec un étalon pour l’astronomie spatiale. Les résultats prévoient une amélioration de contraste de l’ordre de 7 jusqu’à 100, selon la configuration de l’instrument. Une comparaison entre ISD et la soustraction par rotation a également été simulée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre porte sur les performances de la technique ISD dans le cadre de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), conçu pour remplacer TFI comme module scientifique à bord du Fine Guidance Sensor du JWST. Cent quatre objets localisés vers la région centrale de la nébuleuse d’Orion ont été caractérisés grâce à un spectrographe multi-objet, de basse résolution et multi-bande (0.85-2.4 um). Cette étude a relevé 7 nouvelles naines brunes et 4 nouveaux candidats de masse planétaire. Ces objets sont utiles pour déterminer la fonction de masse initiale sous-stellaire et pour évaluer les modèles atmosphériques et évolutifs futurs des jeunes objets stellaires et sous-stellaires. Combinant les magnitudes en bande H mesurées et les valeurs d’extinction, les objets classifiés sont utilisés pour créer un diagramme de Hertzsprung-Russell de cet amas stellaire. En accord avec des études antérieures, nos résultats montrent qu’il existe une seule époque de formation d’étoiles qui a débuté il y a environ 1 million d’années. La fonction de masse initiale qui en dérive est en accord avec des études antérieures portant sur d’autres amas jeunes et sur le disque galactique. / This thesis determines the capability of detecting faint companions in the presence of speckle noise when performing space-based high-contrast imaging through spectral differential imagery (SDI) using a low-order Fabry-Perot etalon as a tunable filter. The performance of such a tunable filter is illustrated through the Tunable Filter Imager (TFI), an instrument designed for the James Webb Space Telescope (JWST). Using a TFI prototype etalon and a custom designed test bed, the etalon’s ability to perform speckle-suppression through SDI is demonstrated experimentally. Improvements in contrast vary with separation, ranging from a factor of 10 at working angles greater than 11 lambda/D and increasing up to a factor of 60 at 5 lambda/D. These measurements are consistent with a Fresnel optical propagation model which shows the speckle suppression capability is limited by the test bed and not the etalon. This result demonstrates that a tunable filter is an attractive option to perform high-contrast imaging through SDI. To explore the capability of space-based SDI using an etalon, we perform an end-to-end Fresnel propagation of JWST and TFI. Using this simulation, a contrast improvement ranging from a factor of 7 to 100 is predicted, depending on the instrument’s configuration. The performance of roll-subtraction is simulated and compared to that of SDI. The SDI capability of the Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), the science instrument module to replace TFI in the JWST Fine Guidance Sensor is also determined. Using low resolution, multi-band (0.85-2.4 um) multi-object spectroscopy, 104 objects towards the central region of the Orion Nebular Cluster have been assigned spectral types including 7 new brown dwarfs, and 4 new planetary mass candidates. These objects are useful for determining the substellar initial mass function and for testing evolutionary and atmospheric models of young stellar and substellar objects. Using the measured H band magnitudes, combined with our determined extinction values, the classified objects are used to create an Hertzsprung-Russell diagram for the cluster. Our results indicate a single epoch of star formation beginning 1 Myr ago. The initial mass function of the cluster is derived and found to be consistent with the values determined for other young clusters and the galactic disk.