Soutenance de doctorat d'Olivia Lim

Étude de l’impact de l’activité stellaire sur la caractérisation des exoplanètes du système TRAPPIST-1

Avec la découverte régulière de nouvelles exoplanètes, le peaufinage incessant d’outils de réduction et d’analyse de données et les plus puissants observatoires astronomiques voyant le jour, on ne peut s’empêcher de se demander si la découverte de vie extrasolaire est à portée de main. Parmi les systèmes hôtes de planètes terrestres tempérées, un en particulier se démarque : TRAPPIST-1. Ce système, composé de sept exoplanètes de tailles terrestres, toutes sur des orbites de moins de 19 jours et transitant leur étoile naine rouge, pourrait-il abriter la vie? Cette question est déjà bien ambitieuse pour une carrière entière, sans parler d’une thèse de doctorat. Il est donc raisonnable de se concentrer sur une question plus restreinte : les planètes du système TRAPPIST-1 ont-elles une atmosphère? C’est cette ligne directrice qui a guidé les travaux de cette thèse, mais nous avons aussi pris plusieurs détours pour adresser des problématiques qui se sont présentées en cours de route.

 Dans un premier article, nous avons utilisé le JWST pour observer deux transits de l’exoplanète TRAPPIST-1 b pour déterminer si elle possède une atmosphère. Après la réduction de ces données, nous avons été confrontés à un problème lié à la nature active de l’étoile hôte du système. Il s’agit de la contamination stellaire engendrée par des taches et/ou facules à la surface de l’étoile qui ne sont pas occultées lors du transit de la planète. Cet effet introduit des signatures dans le spectre de transit de la planète et ce, même si celle-ci n’a aucune atmosphère et devrait présenter un spectre plat. Dans le cas des deux transits de TRAPPIST-1 b observés avec le JWST, les spectres de transit sont dominés par des signatures que nous attribuons à des hétérogénéités à la surface de l’étoile. Il faut alors tenir compte de cette contamination pour analyser les spectres et en extraire de l’information sur l’atmosphère potentielle de l’exoplanète. Une telle analyse nous a permis d’exclure l’existence d’atmosphères épaisses sans nuages riches en hydrogène et en hélium sur TRAPPIST-1 b, en accord avec des observations d’éclipses secondaires de cette planète avec le JWST. Nous ne pouvons toutefois rien dire sur des atmosphères dites secondaires, qui sont riches en espèces chimiques plus lourdes.

 Dans un second article, nous nous sommes encore une fois penchés sur des observations en transit avec le JWST, mais cette fois-ci, nous nous sommes concentrés sur une planète plus tempérée, TRAPPIST-1 f, de laquelle nous avons observé cinq transits. Avec les outils développés pour le premier article, nous nous croyions fin prêts à analyser ces nouvelles données, certes plus volumineuses, mais de même nature que celles de TRAPPIST-1 b. Évidemment, un nouveau défi nous attendait : les éruptions stellaires. Durant ces événements, l’étoile émet soudainement de la lumière non uniformément dans toutes les longueurs d’onde, ce qui peut diluer les courbes de lumière des transits et compliquer la mesure de la profondeur de transit, et par le fait même fausser le spectre de transit. Avec les effets des éruptions atténués par la réduction de données, étonnamment, nous n’avons détecté aucune trace de contamination stellaire causée par les hétérogénéités non occultées dont il était question pour TRAPPIST-1 b. Malgré ce revirement de situation, nous avons une fois de plus exclu la présence d’atmosphères épaisses riches en hydrogène et en hélium sur TRAPPIST-1 f, confirmant des résultats de la littérature obtenus avec d’autres observatoires, sans toutefois pouvoir tirer de conclusion sur les atmosphères secondaires.

 Ces projets ont révélé la nature imprévisible de TRAPPIST-1, plus spécifiquement de l’étoile du système, soulignant l’importance d’une bonne compréhension de l’étoile hôte pour l’étude de ses exoplanètes. Nous avons exploré deux sources de contamination potentielles dans la caractérisation d’atmosphères exoplanétaires par spectroscopie de transit pour des planètes en orbite autour d’étoiles actives et nous avons développé des outils permettant de traiter, ou du moins d’atténuer, ces facteurs contaminants, nous permettant ainsi de confirmer des résultats de la littérature. Toutefois, une incertitude plane toujours sur la question de départ qui a motivé ces travaux, à savoir si les planètes du système TRAPPIST-1 ont une atmosphère ou non. Plusieurs scénarios atmosphériques ont été rejetés pour les planètes les plus près de l’étoile, mais il reste de l’espoir pour les planètes plus tempérées du système. Il y a encore place à amélioration au niveau de la correction des effets stellaires et naturellement, plus de données permettraient de conclure avec plus de confiance sur la présence d’atmosphères secondaires.