Insights into the Diversity of Exoplanet Atmospheres in the Era of JWST
De la religion à la science, la quête de compréhension de notre place dans l'univers est l'un des moteurs fondamentaux du progrès humain. Depuis la découverte de la première exoplanète autour d'une étoile de la séquence principale au milieu des années 1990, le nombre de systèmes exoplanétaires a explosé pour atteindre plusieurs milliers. Nous avons même réalisé des études approfondies des atmosphères de nombreux mondes lointains, ce qui nous a permis de découvrir la diversité, jusqu'alors insondable, des planètes qui existent dans la galaxie.
Pour comprendre la place de notre propre système solaire dans le contexte de la population plus large des exoplanètes, il est d'abord essentiel de comprendre la diversité des exoplanètes elles-mêmes. La spectroscopie spatiale à basse résolution a toujours été l'outil de choix pour sonder les atmosphères des exoplanètes et comprendre la physique et la chimie qui régissent leur formation et leur évolution. Au cours des deux ans et demi qui ont suivi son lancement, j'ai contribué aux études des atmosphères d'exoplanètes avec JWST couvrant tout l'espace des paramètres de la population des exoplanètes. Cette thèse contient quatre de ces études, y compris certaines des toutes premières observations d'exoplanètes avec le <<Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph>> (NIRISS) du JWST. Dans le premier travail, j'ai conçu et testé une méthode pour estimer la <<fonction d'étalement de point>> (PSF) bidimensionnelle d'une observation avec le mode SOSS (Single Object Slitless Spectroscopy) du NIRISS, qui est l'un des principaux modes d'observation des exoplanètes du JWST. Ces PSFs sont une donée critique pour une méthode d'extraction spectrale spécialisée conçue pour traiter les défis techniques spécifiques posés par les observations SOSS. Nous démontrons ensuite que ces PSF empiriques permettent d'obtenir des spectres d'atmosphère plus fidèles que les modèles par défaut.
Dans le second projet, nous présentons l'une des toutes premières observations d'exoplanètes avec JWST NIRISS/SOSS. Ces observations du transit de l'exoplanète WASP-96b, qui est une Saturne-chaude, montrent des signatures claires de l'absorption de H2O et de K à des abondances à peu près solaires. De plus, nous détectons une pente vers les longueurs d'onde les plus bleues de notre spectre, qui pourrait s'expliquer soit par la diffusion Rayleigh de petites particules d'aérosols, soit par les ailes élargies par la pression de l'élément Na. La possibilité de la diffusion d'aérosols est particulièrement intrigante car les observations précédentes avec Hubble, entre autres, ont conclu que la haute atmosphère de WASP-96b n'avait pas d'aérosols, malgré les travaux théoriques indiquant qu'elle devrait être uniformément nuageuse.
Le troisième travail présente un spectre de transmission JWST NIRISS/SOSS de l'unique planète ultra-chaude LTT 9779b; la seule planète connue dans le désert de Neptunes chaudes à avoir conservé une atmosphère primordiale. Notre spectre présente des caractéristiques atténuées qui, combinées à la structure intérieure et aux modèles de synthèse de population, nous permettent de conclure que la planète possède une atmosphère au terminateur qui est nuageuse et de haute métallicité. Un scénario de haute métallicité est cohérent avec les tendances générales dans la population des exoplanètes, ainsi que dans le système solaire. De plus, s'ils sont advectés sur le côté jour, les nuages du terminateur que nous trouvons fournissent une explication naturelle à l'albédo élevé précédemment déduit pour cette planète. Nous supposons que ces nuages peuvent faire partie d'une boucle de rétroaction positive qui sert à diminuer l'efficacité de la perte d'atmosphère sous le rayonnement intense de son étoile hôte, et à aider la survie de LTT 9779b dans le désert de Neptunes chaudes.
Enfin, nous revenons à LTT 9779b avec l'étude d'un spectre d'éclipse qui s'étend de l'ultraviolet à l'infrarouge. En combinant les éclipses de NIRISS/SOSS avec des données d'archives ainsi que des observations inédites utilisant les capacités ultraviolettes de Hubble, nous concluons que l'albédo élevé de LTT 9779b est probablement dû à la réflexion des nuages de MgSiO3 et confirmons que sa structure de température du côté jour n'est pas inversée. Nous entreprenons ensuite une analyse comparative de LTT 9779b dans le contexte plus large des Jupiters ultra-chaudes, qui ont des températures comparables à LTT 9779b mais des côtés jours systématiquement dépourvus de nuages et des structures de température inversées. De cette manière nous faisons les premiers pas pour réconcilier cette planète inhabituelle avec la population plus large des mondes ultra-chauds.
Ces travaux, ainsi que les ~20 autres auxquels j'ai contribué au cours de mon doctorat, démontrent les capacités inégalées du JWST pour la caractérisation des atmosphères des exoplanètes. Chaque nouvelle observation nous rapproche un peu plus de la découverte des origines de la diversité de la population des exoplanètes, ainsi que des différences et similitudes fondamentales entre les différentes <<classes>> de planètes. Cette thèse met en lumière les contributions que j'ai apportées à cette entreprise au cours de mon doctorat. Le JWST a sans aucun doute fait passer de nombreuses régions de la population des exoplanètes du statut de frontières ambitieuses à celui de véritables cibles d'observation et, par conséquent, la prochaine décennie sera certainement l'une des plus transformatrices de l'histoire de la science exoplanétaire.
