Photométrie de haute précision dans l'infrarouge d'exoplanètes en transit

Abstract

Pour les hommes en quête de sens, l’exploration de nouvelles terres a été et est certainement encore l’un des plus grands défis possibles. Aujourd’hui ces nouveaux mondes dont nous parlons sont éloignés de plusieurs années lumière, et sont appelés exoplanètes. Découvertes récemment, il est désormais possible d’étudier les structures de ces dernières, de même que leurs compositions et propriétés atmosphériques, sans même devoir résoudre leur lumière de celle de leur étoile hôte : c’est en effet possible lorsque ces planètes passent régulièrement devant (transit) et derrière (occultation) leur étoile hôte par rapport à notre angle de vue. L’étude des exoplanètes et de leur atmosphère est de première importance. Elle pourrait nous renseigner sur les conditions présentes lors de leur formation et de leur évolution, et ainsi même nous aider à mieux caractériser les planètes du système solaire. La détermination des propriétés orbitales et atmosphériques des exoplanètes en transit fait partie des principaux objectifs de cette thèse. Nous utilisons ainsi des observations dans le domaine infrarouge, siège de nombreuses transitions de molécules constituant leurs atmosphères. Cependant plusieurs effets systématiques propres aux détecteurs infrarouges, en particulier ceux à bord du télescope spatial Spitzer (3,6–24 μm), ont déjà conduit à différentes conclusions quant à la nature atmosphérique de la planète étudiée, selon la façon de traiter les données. Ainsi, ce travail de thèse se concentre également sur le traitement et l’analyse des données photométriques infrarouges de haute précision, afin d’obtenir des mesures rigoureuses, non ambiguës et pouvant permettre la caractérisation des exoplanètes, notamment via la reconstitution de leur spectre d’émission et de transmission. Par la même occasion, nous tentons de mieux comprendre le comportement des instruments infrarouges en vue des futures missions dans ce domaine de longueur d’onde, tel le télescope spatial James Webb. Notre travail s’articule en guise d’application autour de la caractérisation du système planétaire de GJ 436 par le traitement et la réanalyse des observations Spitzer et de CoRoT-2 à l’aide d’observations au sol et Spitzer. A ces fins, nous employons et optimisons le programme de photométrie de déconvolution partielle DECPHOT, idéal pour séparer les contributions des flux des étoiles entre elles et de celle du ciel, particulièrement importante en infrarouge. Parallèlement, nous perfectionnons la technique de photométrie d’ouverture. En aval de ces traitements de données, nous exploitons un algorithme de Monte Carlo de chaînes de Markov, développé dans l’équipe de Liège, pour analyser les courbes de lumière produites par ces deux techniques de mesure photométrique, et en complément des courbes de vitesses radiales également disponibles pour les deux sys- tèmes étudiés. Nous enrichissons cet algorithme d’une nouvelle manière de modéliser un des effets systématiques de Spitzer, ainsi que d’un modèle de courbe de phase adapté pour une orbite excentrique. Notre analyse de GJ436b écarte la présence des compagnons candidats planétaires proposés récemment dans la littérature. Contrairement aux études antérieures aux résultats contradictoires, nous mesurons une profondeur d’occultation à 3,6 μm indépendante de la manière de construire la courbe de lumière, grâce à notre modélisation de l’effet intrapixel. Nos résultats indiquent ainsi une faible variabilité de son étoile hôte et suggèrent une atmosphère riche en métaux. L’étude de CoRoT-2 b conduit à une mesure d’émission très élevée à 2,09 μm, signalant une atmosphère en non-équilibre thermodynamique local et/ou chimique. Elle pourrait indiquer l’émission de H+3 , résultant d’une émission stellaire ultraviolette intense ou d’aurores planétaires.The exploration of new lands has always been and is still an appealing quest of the Mankind. Today, these new worlds we are talking about are several light years away from us, and are called exoplanets. Recently discovered, it is possible to study their structures, as well as their atmospheric compositions and properties, without the need to resolve their light from their host star. This is indeed possible when a planet regularly pass in front (transit) or behind (occultation) its host star from our point of view. The study of exoplanets and of their atmosphere is of prime importance. It could inform us on present conditions during their formation and evolution, and thus help us to characterise planets in our own Solar system. The characterisation of the orbital and atmospheric properties of transiting exoplanets is among the main goal of this thesis. We use observations in the infrared band, wherein exoplanet spectra present many atmospheric molecular transition features. However several infrared instrument systematics, particularly those on-board the Spitzer telescope (3.6–24 μm), have already led to divergent conclusions on the nature of planetary atmospheres it targeted, depending on the way these systematics were treated. Hence this thesis focuses on the high-precision infrared data reduction and analysis of transiting exoplanets. Our goal is to obtain accurate and non-ambiguous measurements for the characterisation of exoplanets through the recombination of their emission and transmission spectra. Meanwhile, we attempt to better understand the behaviour of infrared detectors in preparation for future missions in this wavelength range, such as the James Webb Space Telescope. This work is organised around the characterisation of the GJ 436 planetary system based on the data reduction and reanalysis of Spitzer observations and of CoRoT-2 with the help of ground-based and Spitzer observations. We use and optimise the partial deconvolution photometry program DECPHOT, fully appropriate to separate the stellar flux contributions from each other and from that of the sky, which is particularly important in the infrared. Besides, we improve aperture photometry. Then we use the Markov chain Monte Carlo algorithm developed by the Liège team to analyse the light curves produced by these two measurement techniques, in addition to radial velocity measurements that were also available for these systems. We introduce new features, including a mo- delisation of one of the Spitzer systematics, and a phase curve model adapted to eccentric planetary orbit. Our GJ 436b analysis rules out the presence of the two planetary companion candidates proposed recently in the literature. Contrary to former studies that were in disagreement, we measure an occultation depth at 3.6 μm that is independent of the light curve reduction, thanks to our modelisation of the intrapixel effect. We point out a weak stellar activity of its host star and suggest a metal rich atmosphere. Our CoRoT-2 b study leads to a very high emission measurement at 2.09 μm, which highlights an atmosphere in chemical and/or local thermodynamical disequilibrium. It may indicate the emission of H+3 , which results from high extreme UV stellar radiation or planetary aurora emission