Soutenance de thèse de DENIS Allan
Titre de thèse
Caractérisation d'exoplanètes à haute résolution spectrale avec le VLT/HIRISE
Exoplanet characterization at high spectral resolution with VLT/HIRISE
Résumé de la thèse
La caractérisation des exoplanètes en imagerie directe permet d'apporter des contraintes uniques sur leur composition atmosphérique, leur dynamique et leur histoire de formation. Cependant, la faible séparation angulaire et le fort contraste de luminosité entre les planètes et leurs étoiles hôtes rendent particulièrement difficile l'étude des planètes géantes froides. Cette thèse explore la combinaison de l'imagerie à haut contraste et de la spectroscopie à haute résolution afin de dépasser ces limitations, en se focalisant notamment sur l'instrument gls{hirise}, qui combine gls{sphere} au gls{vlt} avec le spectrographe haute résolution gls{crires}.
Un pipeline de réduction des données gls{hirise} a été développé afin de traiter les observations de l'instrument, notamment les calibrations spécifiques nécessaires à l'extraction et à la calibration des spectres planétaires. J'ai également contribué au développement de gls{formosa}, un outil basé sur une approche de textit{forward modeling} pour l'analyse des exoplanètes directement imagées.
Ces outils ont été appliqués aux planètes géantes froides AF,Lep,b et 51,Eri,b. Pour AF,Lep,b, les observations gls{hirise} fournissent la première caractérisation atmosphérique de la planète à haute résolution spectrale, permettant de contraindre sa métallicité et son rapport co et de détecter les molécules de H$_2$O, CH$_4$ et CO. Ces observations permettent également de mesurer pour la première fois sa vitesse radiale et sa vitesse rotationelle projetée. Pour 51,Eri,b, les observations spectroscopiques à haute résolution ont permis de contraindre la vitesse radiale de la planète à plusieurs époques et d'améliorer significativement la détermination de son orbite, confirmant sa forte excentricité. Cette excentricité apporte des contraintes importantes sur la formation et l'évolution dynamique du système, et le rôle potentiel d'un compagnon externe a été étudié dans le cadre du mécanisme de Kozai--Lidov.
La dernière partie de cette thèse étudie l'imagerie Doppler comme méthode complémentaire pour caractériser les hétérogénéités spatiales des atmosphères exoplanétaires. Un outil de simulation et d'inversion basé sur une reconstruction par maximum d'entropie a été développé afin d'étudier l'influence de la résolution spectrale, de la vitesse de rotation, du rapport signal sur bruit et du temps d'intégration sur les performances de la méthode. Cette étude met en évidence trois régimes d'observation limités respectivement par l'effet Doppler, le rapport signal sur bruit et le temps d'intégration, et permet de contraindre les stratégies d'observation optimales pour les instruments actuels et futurs.
L'ensemble de ces travaux démontre le potentiel de la combinaison entre imagerie à haut contraste et spectroscopie à haute résolution pour caractériser les atmosphères et la dynamique des planètes géantes froides à faible séparation angulaire. Les développements actuels et futurs, notamment avec les télescopes spatiaux et lgls{elt}, permettront d'améliorer les contraintes sur la rotation et l'obliquité des planètes, de rechercher de nouveaux compagnons et de développer des méthodes bayésiennes d'imagerie Doppler. Ces progrès permettront progressivement d'étudier non seulement la composition et la dynamique des exoplanètes directement imagées, mais également la structure spatiale de leurs atmosphères.
Thesis resume
The characterization of directly imaged exoplanets provides unique insights into their atmospheric composition, dynamics, and formation history. However, the small angular separation and high contrast between planets and their host stars make the characterization of cold giant planets particularly challenging. This thesis explores the combination of high-contrast imaging and high-resolution spectroscopy as a means of overcoming these limitations, with a particular focus on the gls{hirise} instrument, which couples gls{sphere} at the gls{vlt} to the high-resolution spectrograph gls{crires}.
A data reduction pipeline was developed to process gls{hirise} observations, including the specific instrumental calibrations required to extract and calibrate the planetary spectra. I also contributed to the development of gls{formosa}, a forward-modeling framework for the analysis of directly imaged exoplanets.
These tools were applied to the cold giant planets AF,Lep,b and 51,Eri,b. For AF,Lep,b, the gls{hirise} observations provide the first atmospheric characterization of the planet at high spectral resolution, yielding constraints on its metallicity and co ratio and enabling the detection of H$_2$O, CH$_4$ and CO molecules. The data also provide the first measurements of its radial and projected rotational velocities. For 51,Eri,b, high-resolution spectroscopic observations were used to constrain the planetary radial velocity at multiple epochs, significantly refining its orbital parameters and confirming its high eccentricity. This eccentricity provides important constraints on the formation and dynamical evolution of the system, and the possible role of an unseen external companion was investigated through the Kozai--Lidov mechanism.
The final part of this thesis investigates Doppler imaging as a complementary technique for studying spatial inhomogeneities in exoplanetary atmospheres. A simulation and inversion framework based on maximum-entropy reconstruction was developed to study the influence of spectral resolution, rotational velocity, signal-to-noise ratio, and integration time on the performance of the technique. The results identify three observational regimes limited respectively by Doppler broadening, signal-to-noise ratio, and integration time, and provide constraints on the optimal observing strategy for current and future instruments.
Together, these results demonstrate the potential of combining high-contrast imaging and high-resolution spectroscopy to characterize the atmospheres and dynamics of cold giant exoplanets at small angular separations. Current and future developments, including observations with space-based telescopes and the gls{elt}, will improve the constraints on planetary rotation and obliquity, and allow to search for additional companions and to develop Bayesian approaches to Doppler imaging techniques. This will further expand the ability to study the composition, dynamics, and spatial structure of directly imaged exoplanets.