Au cours des trois dernières décennies, la détection de plus de 5500 exoplanètes a révélé leur grande diversité en masse, rayon et température d’équilibre. Ça a suscité un intérêt pour mieux les comprendre, de leur potentiel à abriter la vie à la façon dont elles se sont formées et ont migré vers leurs emplacements orbitaux actuels. La caractérisation atmosphérique s’est avérée être un outil clé, offrant une fenêtre sur les propriétés spécifiques d’une planète. Grâce à leurs larges atmosphères et leur proximité avec leurs étoiles, les Jupiter chauds et ultra-chauds sont les meilleures cibles pour affiner les outils d’analyse de données spectrales d’atmosphères d’exoplanètes pour contraindre leurs propriétés. Ces planètes sont cependant intrinsèquement 3-D, compliquant la récupération des abondances globales nécessaires pour déduire les propriétés des planètes.
Cette thèse s’est concentrée sur l’étude du Jupiter ultra-chaud WASP-76 b, en particulier sur ce qu’on pourrait en apprendre avec des données SPIRou. Ceci était en grande partie motivé par l’asymétrie trouvée pour l’atmosphère de cette planète dans des données optiques. En le regardant dans l’infrarouge, on sonde des pressions différentes, donnant un aperçu différent de ses propriétés. Pour ça, j’ai participé au développement d’un pipeline d’analyse de données au sein du programme ATMOSPHERIX optimisé pour l’analyse de spectres de transmission de SPIRou. Le pipeline optimise le signal atmosphérique d’une exoplanète dans les données, crée des spectres synthétiques pour l’analyse, et peut valider la détection d’une atmosphère et récupérer les valeurs les plus probables pour les paramètres atmosphériques. En l’appliquant aux données SPIRou de WASP-76 b, j’ai pu effectuer une étude approfondie des propriétés atmosphériques de cette planète. En particulier, j’ai pu détecter H$_2$O et CO et analyser les dynamiques associées à chacun, offrant des raisons possibles à l’asymétrie de l’atmosphère.
Pour mieux comprendre la nature tridimensionnelle des Jupiter chauds et ultra-chauds, j'ai commencé à travailler avec une équipe qui étudie des modèles atmosphériques. J'ai utilisé des spectres de transmission simulés de 18 modèles avec différentes périodes orbitales pour étudier comment les effets tridimensionnels influencent les mesures des observables à l'aide de spectres synthétiques unidimensionnels. Plus précisément, j'ai analysé la relation entre les décalages mesurés pour les observables d'une planète et la rotation de la planète ainsi que les vents atmosphériques.
Les dégénérescences dans les études atmosphériques peuvent compliquer la récupération des paramètres et les scénarios inférés de formation et de migration des Jupiter chauds et ultra-chauds. Une solution proposée pour les résoudre consiste à combiner des jeux de données. Nous avons commencé à adapter le pipeline ATMOSPHERIX pour pouvoir effectuer combiner différents ensembles de données, que j’ai testés sur des données obtenues de WASP-76 b. Je présente les résultats préliminaires obtenus pour la combinaison des données SPIRou précédemment utilisées avec des données basse résolution de HST et Spitzer, ainsi qu'avec des données optiques haute résolution de MAROON-X. Bien que les résultats montrent un besoin d’améliorer nos algorithmes combinant les jeux de données, ils montrent aussi un potentiel. Dans l'ensemble, j'ai contribué au développement de la chaîne ATMOSPHERIX, un outil prometteur pour la communauté de la caractérisation atmosphérique des exoplanètes, et j'ai mis en évidence l'utilisation des données acquises par SPIRou dans les études atmosphériques. |
Over the past three decades, the detection of more than 5500 exoplanets has revealed their vast diversity in mass, radius, and equilibrium temperature. This in turn sparked interest in further understanding these planets, from their potential to harbor life to how they formed and migrated to their current orbital locations. Atmospheric characterisation has proven to be a key tool for this, providing a window into the specific properties of an exoplanet. Thanks to their inflated atmospheres and close proximity to their stars, hot and ultra-hot Jupiters are the best targets to refine the tools used to analyse exoplanet atmospheric spectral data to extract information about their atmospheric properties. Their day/night temperature dichotomy, fast rotation, and strong atmospheric dynamics however make the atmospheres of these planets intrinsically 3-D, complicating the retrieval of the bulk abundances for these atmospheres required to infer the properties of the planets themselves.
This thesis mainly focused on the study of the ultra-hot Jupiter WASP-76 b, in particular what could be learned about it using data acquired by the SPIRou spectrograph. This was in large part motivated by the asymmetry found for this planet’s atmosphere in optical data. By looking at it with infrared data, we probe different pressure layers, giving a different insight into it’s properties. For this, I helped develop a data analysis pipeline within the ATMOSPHERIX programme that was optimised for analysing transmission spectra obtained with SPIRou. The pipeline cleans the spectral data to bring out the atmospheric signal, creates synthetic spectra to analyse it, and can both validate the detection of an atmosphere and retrieve the most likely values for the atmospheres parameters, such as temperature and composition. Applying it to SPIRou-acquired data of WASP-76 b, I was able to perform an in-depth study of this planet’s atmospheric properties. In particular, I was able to detect H$_2$O and CO and analyse the dynamics associated to each, offering possible reasons for the atmosphere’s asymmetry.
To better understand the 3-D nature of hot and ultra-hot Jupiters, I started working with a team that studies atmospheric models. I used simulated transmission spectra from 18 models with different orbital periods, to investigate how 3-D effects influence measurements of observables using 1-D synthetic spectra. Specifically, I analysed the relation between shifts measured for observables of a planet and the planet’s rotation and atmospheric winds.
Degeneracies in atmospheric studies can complicate retrieval results and the inferred formation and migration scenarios of hot and ultra-hot Jupiters. A proposed solution to resolve them is to combine datasets. We have started to expand the ATMOSPHERIX pipeline’s capabilities to perform combined retrievals on different datasets, which I have tested on data obtained of WASP-76 b. I present preliminary results obtained for combining the previously used SPIRou-acquired data with low-resolution data acquired by HST and Spitzer in one retrieval, and with high-resolution optical data acquired by MAROON-X in another. While the results show a need to improve our combined retrieval algorithms, they also show potential. Overall, I helped develop the ATMOSPHERIX pipeline, a promising tool for the exoplanet atmospheric characterisation community, and highlighted the use of SPIRou-acquired data in atmospheric studies. |