L’objectif principal de cette thèse est de caractériser l’atmosphère de Jupiters chaudes par spectroscopie de transmission à haute résolution, dans l’infrarouge proche, avec l’instrument SPIRou. L’historique de formation, d’évolution et de migration des planètes est empreint dans leur composition chimique, et de retrouver cette composition permet d’en élucider le mystère. La spectroscopie de transit et d’émission a prouvé être fortement efficace à cette tâche, autant pour la détermination de la composition que pour la détermination d’autres caractéristiques atmosphériques comme le profil de température et la dynamique, accessibles à haute résolution. Les Jupiter Chaudes, planètes géantes gazeuses qui orbitent très près de leur étoile, offrent des conditions d’observations très favorables pour ce type d’étude. Encore beaucoup d’éléments nous échappent quant aux processus physiques, chimiques et dynamiques qui gouvernent l’atmosphère de ces objets astronomiques. Des études détaillées de ceux-ci, telles que celles présentées dans cette thèse, sont nécessaires pour mieux comprendre ces mécanismes.
Dans un premier temps, nous avons fait l’étude de deux transits de HD 189733 b, une des exoplanètes les plus étudiées. Cela nous a permis de valider nos méthodes d’analyse avec des données provenant du spectropolarimètre infrarouge à haute résolution SPIRou, installé au télescope Canada-France-Hawaii, représentant d’ailleurs la première caractérisation d’une atmosphère en spectroscopie de transit pour le SPIRou Legacy Survey. Nous avons confirmé la présence d’un signal d’eau à un niveau de signification de plus de 5σ, basé sur les résultats de test-t. Nous présentons la première analyse de spectroscopie de transit haute résolution faite par méthode de récupération, basée sur l’inférence bayésienne et appliquée à une grille de modèles SCARLET interpolée. Celle-ci a permis d’inférer une abondance de log_10[H2O] ≃ −4.4. Les résultats obtenus sont cohérents avec la littérature et indiquent que l’atmosphère de HD 189733 b est relativement claire (sans nuages) et possède un C/O super-solaire (correspondant à une formation au-delà de la ligne de glace de l’eau). Un fort décalage vers le bleu de l’absorption par l’eau a été observé, indiquant la présence de forts vents allant du côté jour vers le côté nuit ou un signal dominé par le côté soir du terminateur (limbe arrière), ou une combinaison des deux.
Dans un second temps, nous présentons la première analyse à haute résolution dans l’infrarouge proche de trois transits de la très peu dense sous-Saturne WASP-127 b. Une étude récente à basse résolution a montré un spectre de transmission riche et une abondance super-solaire de CO2 dans son atmosphère. La contribution de CO et de CO2 n’a cependant pu être démêlée étant donné la couverture spectrale et la résolution limitée des données HST et de Spitzer utilisées, menant à des scénarios équiprobables de faible et fort C/O. La couverture de la bande de CO à 2.3 μm par SPIRou a permis de faire cette différenciation, et nos résultats ont exclu la présence de CO en abondance supérieure à log_10[CO] = −4.3, impliquant que le signal détecté à 4.5μm dans les données Spitzer provient majoritairement du CO2. De plus, un calcul de test-t sur les données SPIRou a confirmé la détection de H2O à un niveau ajusté de 4.9σ, mais également une détection potentielle de OH, à 2.4σ. Cette présence extrêmement inattendue de OH pourrait potentiellement être expliquée si la température du côté jour est assez grande, aidée par l’irradiation amplifiée de l’étoile qui quitte la séquence principale, ou encore par du mélange vertical. Nous présentons également la première méthode de récupération complète appliquée à la spectroscopie de transit à haute résolution, en utilisant la suite de modèles petitRADTRANS, et sur trois ensembles de données différents : les données SPIRou, les données HST et Spitzer de l’étude initiale, et les deux ensembles de données combinés. Une comparaison des différents résultats obtenus confirme que l’analyse conjointe permet d’avoir de meilleures contraintes sur les paramètres atmosphériques. Alors que l’étude initiale favorisait un fort C/O, nos résultats pointent vers un C/O très sous-solaire, produit par un C/H sous-solaire et un O/H plutôt stellaire. Les scénarios de formation qui supportent une telle composition sont ceux au-delà des lignes de glace de H2O et de CO2 (∼ 10ua), avec une accrétion supplémentaire de matériel riche en O via la migration et le croisement des lignes de glaces. L’accrétion du matériel est soit dominée par le gaz et tardive (après 5 à 7 millions d’années), ou encore, mixte (de gaz et de glaces) et plus précoce, avec un mélange cœur-enveloppe substantiel.
Bien qu’il en reste beaucoup à faire, ces travaux de recherche ont démontré que la spectroscopie de transit à haute résolution dans l’infrarouge proche est utile pour explorer les conditions atmosphériques des Jupiter et sous-Saturne chaudes, et plus spécifiquement, avec l’instrument SPIRou. La combinaison de données à faible et à haute résolution s’avère un outil très puissant pour l’étude des atmosphères, et le sera encore plus avec les capacités révolutionnaires de JWST. / The main objective of this thesis is to characterize the atmosphere of hot Jupiters with high resolution transmission spectroscopy in the near-infrared with the SPIRou instrument. The formation, evolution and migration history of exoplanets is imprinted in their chemical composition, and finding this composition makes it possible to trace back this history. Transit and emission spectroscopy have proven to be highly effective for this task, in the determination of the composition, but also of other atmospheric characteristics such as the temperature profile and the dynamics, accessible at high resolution. Hot Jupiters -- gas giant planets orbiting very close to their star -- offer highly favourable observation conditions for this type of study. Many pieces of the puzzle are still missing regarding the physical, chemical and dynamical processes that govern the atmospheres of these astronomical objects, and detailed studies, such as the ones presented in this thesis, are necessary to better understand those mechanisms.
First, we present the results of our analysis of two HD189733b transits, one of the most studied exoplanets to date. This study allowed to validate our analysis method with SPIRou data, a high-resolution near-infrared spectro-polarimeter installed at the Canada-France-Hawaii Telescope. It also represents the first characterization of an atmosphere with transit spectroscopy as part of the SPIRou Legacy Survey. Our results confirmed the H2O detection in the planet's atmosphere at a 5 sigma level, based on a $t$-test. We present the first analysis of a Bayesian retrieval framework applied to high-resolution transmission spectroscopy, using a grid of SCARLET models. We constrained the H2O abundance to log_10[H2O] ~ -4.4$.
The results are consistent with the literature and agree on the atmosphere of HD189733b being relatively clear (without clouds) and having a super-solar C/O (corresponding to a formation beyond the H2O ice line). A strong blue shift of the water absorption signal was observed, indicative of strong day-to-night winds or a signal dominated by the terminator's evening side (trailing limb), or a combination of both.
Second, we present the first high-resolution analysis in the near-infrared of three transits of the super low-density sub-Saturn WASP-127b. A recent low-resolution study showed a rich transmission spectrum and super-solar abundance of CO2 in its atmosphere. However, the contribution of CO and CO2 could not be disentangled given the limited spectral coverage and resolution of the HST and Spitzer data, leading to equiprobable low and high C/O scenarios. The coverage of the CO band at 2.3um by SPIRou made it possible to differentiate between the two cases, and our results excluded CO abundances greater than 10^(-4.3), implying that the signal at 4.5um seen in the Spitzer data mostly comes from CO2. Moreover, a t-test analysis on the SPIRou data confirmed the detection of H2O at an adjusted level of 4.9 sigma, but also a tentative detection of OH, at 2.4 sigma. The presence of OH, although extremely unexpected, could potentially be explained from a high enough dayside temperature, increased by the amplified irradiation of the star leaving the main sequence, or from vertical mixing. We also present the first full-retrieval framework applied to transmission spectroscopy at high resolution, using the petitRADTRANS model suite on three different datasets: on the SPIRou data, on the HST and Spitzer data from the original study, and on both datasets combined. A comparison of the different results obtained confirms that the joint analysis provides better constraints on the atmospheric parameters. While the initial study favored a high C/O, our results point toward a highly subsolar C/O, produced by a sub-stellar C/H and a roughly stellar O/H. Formation scenarios that support such a composition are those beyond the H2O and CO2 ice lines (~ 10ua), with further accretion of O-rich material via migration and ice lines crossing. The primordial/bulk accretion was either gas-dominated and late (after 5-7 Myr), or earlier and mixed (with gas and ice), with substantial core-enveloppe mixing.
Although much remains to be done, this research work has demonstrated that high-resolution near-infrared transit spectroscopy is useful for exploring the atmospheric conditions of hot Jupiters and sub-Saturns, and more specifically, with the SPIRou instrument. The combination of low and high resolution data has shown to be a very powerful tool for such studies, and will be even more so with the revolutionary capabilities of JWST.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:umontreal.ca/oai:papyrus.bib.umontreal.ca:1866/27816 |
| Date | 04 1900 |
| Creators | Boucher, Anne |
| Contributors | Lafrenière, David |
| Source Sets | Université de Montréal |
| Language | fra |
| Detected Language | French |
| Type | thesis, thèse |
| Format | application/pdf |
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