Soutenance de doctorat de Pierre-Alexis Roy

Sonder la nature et l’origine des exoplanètes sous-Neptuniennes

L’un des grands héritages des missions spatiales Kepler et TESS est la découverte que les sous-Neptunes, ces planètes de taille intermédiaire entre celle de la Terre et celle de Neptune, représentent le type de planète le plus fréquent dans notre galaxie. Cependant, sans analogue dans notre propre système solaire, la nature et l’origine des sous-Neptunes restent incomprises aujourd’hui, et développer une compréhension globale de la diversité et des processus de formation des sous-Neptunes représente un des grands buts de la communauté scientifique. Dans cette thèse, je vais présenter comment j’ai approfondi nos connaissances sur la composition et la formation des sous-Neptunes en présentant les analyses de trois sous-Neptunes différentes que j’ai menées durant mon doctorat.

TOI-824 b est une sous-Neptune dense et chaude se trouvant dans une région très peu peuplée de la population d’exoplanètes: le désert des Neptunes chaudes. Dans ce travail, nous présentons la détection d’une température particulièrement élevée sur le côté jour de TOI-824 b à l’aide d’observations d’éclipses secondaires à 3.6 et 4.5 μm effectuées avec le télescope spatial Spitzer. Notre mesure d’un côté jour chaud implique que la planète possède un albédo de Bond faible et que son enveloppe redistribue inefficacement la chaleur autour de l’équateur. Nous concluons que TOI-824 b pourrait être un “manteau de Neptune exposé”, une planète avec un intérieur riche en métaux, comme Neptune, mais qui a perdu son atmosphère d’hydrogène lors d’impacts géants, ou qui n’a jamais amassé de telle enveloppe à cause d’une formation tardive. L’enveloppe de haute métallicité réémettant la lumière à partir du côté jour explique donc naturellement la température élevée mesurée. Cette explication est cohérente avec des modèles de circulation générale de la planète, et avec notre ré-analyse de la composition globale qui révèle que la planète pourrait avoir une fraction d’eau élevée dans son budget de masse. Ces résultats suggèrent que les sous-Neptunes chaudes et denses pourraient former un sous-groupe de “noyaux planétaires exposés” au sein de la population de sous-Neptunes.

GJ 9827 d est une petite sous-Neptune (2R⊕) près de la vallée du rayon, et elle représente une candidate de choix pour être un monde d’eau. Les mondes d’eau sont des petites planètes dont la densité permet la possibilité que l’atmosphère soit riche, ou même dominée, par de l’eau (ou une espèce chimique volatile similaire), ouvrant la porte à la possibilité intéressante d’étudier des atmosphères qui ne sont pas dominées par de l’hydrogène. Dans cet ouvrage, nous présentons la première détection de vapeur d’eau dans l’atmosphère d’un monde d’eau candidat à l’aide de 11 observations de transit avec Hubble. Bien que nos observations ne puissent faire la différence entre une enveloppe dominée par de la vapeur d’eau et une atmosphère nuageuse dominée par l’hydrogène, GJ 9827 d est une planète vulnérable à la perte d’atmosphère par photo-évaporation, faisant de la planète le monde d’eau candidat idéal pour des observations avec le nouveau télescope JWST.

LP 791-18 c est une sous-Neptune froide (Teq=355 K) en orbite autour d’une petite étoile 6 très près de notre système solaire, faisant de LP 791-18 c une des meilleures cibles en termes de signal-sur-bruit dans la population des sous-Neptunes. Dans cet article, nous présentons la détection de méthane et de brumes dans l’atmosphère de LP 791-18 c à l’aide d’une observation de transit avec JWST/NIRSpec PRISM. Bien que l’abondance de méthane dans l’atmosphère de la planète soit cohérente avec les autres sous-Neptunes froides étudiées pour l’instant, K2-18 b et TOI-270 d, LP 791-18 c ne montre aucun signe de CO2, contrairement aux deux autres planètes. La nature brumeuse de LP 791-18 c est aussi en contraste avec les atmosphères claires observées sur K2-18 b et TOI-270 d. LP 791-18 c peut donc être expliquée comme une sous-Neptune arborant une atmosphère étendue et réductrice qui s’est formée avec plus de H2 que de H2O, à l’intérieur de la ligne de glace du système. La radiation de haute énergie (XUV) provenant de l’étoile M pourrait expliquer les brumes dans l’atmosphère 

Ce projet montre un exemple important de la diversité des sous-Neptunes, puisque des planètes analogues en densité et en température sont observées avec des compositions atmosphériques et des aérosols bien différents.

Par ces travaux, nous avons démontré la grande diversité parmi les sous-Neptunes. Des planètes chaudes et denses aux planètes froides en passant par les mondes d’eau, les sous- Neptunes sont les hôtes d’atmosphères variées avec différents régimes chimiques qui portent la trace de leur processus de formation. De plus, cette thèse représente parfaitement la transition vers une nouvelle génération de télescopes spatiaux, et nous sommes maintenant confortablement assis dans l’ère JWST qui, je l’espère, révélera les secrets des sous-Neptunes: le type de planète le plus abondant de la galaxie.