Soutenance de doctorat de Louis-Philippe Coulombe

Transmission, émission et réflexion : Dévoiler les processus physiques et chimiques des atmosphères exoplanétaires avec le JWST

L’un des objectifs de longue date des sciences planétaires est la caractérisation des mécanismes et de la diversité de leurs atmosphères. Les exoplanètes représentent une opportunité idéale pour atteindre cet objectif, car elles couvrent une gamme de masses, de tailles et de températures sans équivalent dans le Système Solaire, nous permettant d’étudier cette population dans un contexte plus large. Dans cette thèse, nous utilisons le télescope spatial James Webb (JWST) pour caractériser une variété d’exoplanètes et mesurer la composition de leurs atmosphères, la structure et la répartition de leurs nuages, ainsi que leurs régimes de circulation. 

Dans un premier travail, nous avons utilisé l’instrument NIRISS/SOSS à bord du JWST pour observer une éclipse secondaire de la Jupiter ultra-chaude WASP-18b. Nos résultats montrent la présence de bandes de vapeur d’eau en émission dans le spectre d’émission thermique de la planète, avec des indices d’opacité optique provenant de la contribution combinée de l’ion d’hydrogène négatif, de l’oxyde de titane et de l’oxyde de vanadium. Nous mesurons une métallicité atmosphérique de WASP-18 b cohérente avec celle du Soleil, ainsi qu’un rapport carbone/oxygène inférieur à l’unité. Nous produisons également une carte de la distribution de la brillance du côté jour de la planète, qui montre que les températures culminent près du point substellaire et diminuent rapidement vers les terminateurs. Ce travail a démontré pour la première fois les capacités du JWST et de NIRISS/SOSS pour l’observation d’exoplanètes en émission thermique, posant certaines des bases pour l’application de telles méthodes dans cette nouvelle ère de caractérisation des exoplanètes. 

Dans une deuxième étude, nous avons démontré l’existence d’un biais introduit dans les spectres de transmission par l’utilisation de paramétrisations de l’assombrissement centre-bord motivées par la physique. Pour extraire le rayon planétaire à partir d’une courbe de transit, il faut tenir compte de la diminution de luminosité du centre du disque stellaire vers le bord (assombrissement centre-bord). Les paramétrisations motivées par la physique, qui excluent des scénarios non physiques tels que l’éclaircissement au bord, sont couramment utilisées dans la communauté. Cependant, ces paramétrisations biaisent la profondeur de transit mesurée dans la limite d’un assombrissement centre-bord nul, ce qui est pertinent aux longueurs d’onde infrarouges couvertes par le JWST. Nous montrons que ce biais disparaît lorsque l’on permet des scénarios non physiques, résultant en une exploration symétrique de l’espace des paramètres. Cette découverte est majeure, car si ce biais n’est pas pris en compte, il pourrait affecter l’ensemble des analyses atmosphériques actuellement réalisées avec le JWST et conduire à des conclusions erronées concernant la composition atmosphérique des exoplanètes. 

Dans un troisième projet, nous avons utilisé l’instrument NIRISS/SOSS pour observer la courbe de phase complète allant du rouge-optique au proche infrarouge de la Neptune ultra-chaude LTT 9779 b. Nous montrons que le flux de la planète passe d’une domination par la lumière réfléchie à courte longueurs d’onde à une domination par l’émission thermique vers l’infrarouge. Nous cartographions les distributions de température et d’albédo de la planète à partir de sa courbe de phase. Finalement, nous proposons un scénario dans lequel les observations sont expliquées par une asymétrie dans la couverture des nuages, avec une advection de la chaleur vers l’est menant à un côté jour ouest plus froid où les nuages se condensent plus efficacement. Ce travail a démontré que la couverture en longueurs d’onde allant de l’optique au proche infrarouge, rendue possible par l’instrument NIRISS/SOSS, constitue un outil puissant pour étudier l’interaction entre la circulation atmosphérique et la distribution des nuages pour un large éventail d’exoplanètes géantes gazeuses, grâce à la spectroscopie en lumière réfléchie et en émission thermique. 

Enfin, dans un quatrième projet, nous avons analysé un transit de la super-Terre tiède TOI-270 b observé avec l’instrument NIRSpec/G395H à bord du JWST. Nous trouvons une possible préférence statistique pour un modèle atmosphérique par rapport à un spectre plat, avec la vapeur d’eau comme espèce reproduisant le mieux la signature observée. Nous prouvons que ce signal n’est pas d’origine stellaire en exploitant le spectre de transmission de TOI-270 d observé lors de la même visite, qui permet de contraindre la contamination stellaire à être nulle. De plus, nous montrons par modélisation de la structure interne qu’une fraction de masse en eau de l’ordre de quelques pourcents est nécessaire pour expliquer la densité mesurée de la planète, faisant de TOI-270 b une forte candidate au statut de monde aqueux. Ce travail démontre que des observations de transits quasi-simultanés de plusieurs planètes au sein d’un même système peuvent constituer un outil puissant pour atténuer la contamination stellaire dans la recherche d’atmosphères secondaires sur des planètes rocheuses au-delà de notre Système Solaire. 

À travers les travaux présentés dans cette thèse, nous avons démontré la puissance du JWST pour caractériser l’atmosphère des exoplanètes sur une large gamme de tailles et de degrés d’irradiation. Ces observations nous ont fournis une richesse d’informations sur la chimie, la physique et la dynamique qui façonnent leurs atmosphères. Néanmoins, de nombreux efforts restent à accomplir, et l’une des prochaines étapes vers une compréhension plus approfondie de la diversité des exoplanètes sera la recherche de tendances au sein de l’ensemble actuel des planètes pour lesquelles des mesures atmosphériques ont été obtenues.