Detection and characterization of exoplanetary atmospheres by coupling direct imaging and medium to high-resolution spectroscopy
Détection et caractérisation des atmosphères exoplanétaires par couplage de l'imagerie directe et de la spectroscopie à moyenne ou haute résolution spectrale
Résumé
Medium or high spectral resolution is highly significant for characterizing the composition of planetary atmospheres, and is essential for the search for bio-signatures. Coupling techniques between spectroscopy and direct imaging instruments are emerging to meet these needs. These new instruments may also prove useful in facilitating detection and overcoming the current limitations of high-contrast imaging. A new dedicated detection technique was developed in 2017 known as molecular mapping.It is within this research framework that my thesis took place. Initially, I estimated the detection levels of the high-contrast arm on the future ELT/HARMONI instrument. These estimates led to the development of a general analytical method for predicting the detection levels of instruments combining high-contrast and high spectral resolution. I implemented a python code, FastCurves, enabling this method to be applied subsequently to other instruments, such as ERIS/SPIFFIER and SPHERE+/MedRES. This study demonstrated the benefits of equipping SPHERE with a medium spectral resolution field spectrograph. In the case of ERIS/SPIFFIER, I showed that the instrument's calibrations and data reduction performance were not yet sufficiently advanced to enable the effective detection of short-separation planets. Nevertheless, the data taken during the instrument's verification program enabled me to redetect a recently discovered planet, 2M0437 b. This detection also allows me to discuss the efficiency and dependencies of this new detection method. These latter limitations led me to discuss other detection methods that also make use of the spectral diversity of the data.Secondly, I present my work on the development at IPAG of a spectrometer optimized for characterizing exoplanets at high spectral resolution (R=80000). I worked on the development of alignment and calibration procedures to validate the spectrometer's operation. I then developed a signal extraction routine to extract the high-resolution spectrum of observed objects. The instrument was validated in real-life conditions by coupling it to the Hale telescope on Mount Palomar in March 2022. Since then, the VIPA spectrometer has entered a new phase of improvement in preparation for more ambitious future sky missions in 2024.
La moyenne ou haute résolution spectrale a un intérêt scientifique fort pour caractériser la composition des atmosphères planétaires et s'avère nécessaire à la recherche de bio-signatures. Des techniques de couplage entre la spectroscopie et les instruments d'imagerie directe émergent pour répondre à ces besoins. Ces nouveaux instruments peuvent également s'avérer utiles pour faciliter les détections et dépasser les limites actuelles de l'imagerie haut-contraste. Une nouvelle technique de détection et de caractérisation dédiée a été élaborée en 2017 sous le nom de molecular mapping.C'est dans ce cadre de recherche que s'est déroulée ma thèse. Dans un premier temps, j'ai estimé les niveaux de détection du bras haut-contraste sur le futur instrument ELT/HARMONI. Ces estimations ont abouti au développement d'une méthode analytique générale pour prédire les niveaux de détection d'instruments mêlant haut-contraste et haute résolution spectrale. J'ai mis en place un code python, FastCurves, permettant d'appliquer cette méthode par la suite à d'autres instruments, comme notamment pour ERIS/SPIFFIER et SPHERE+/MedRES. Cette étude a permis de montrer l'intérêt d'équiper SPHERE d'un spectrographe de champ à moyenne résolution spectrale. Dans le cas d'ERIS/SPIFFIER, j'ai montré que les calibrations et les performances de réduction de données de l'instrument n'étaient pas encore assez perfectionnées pour permettre de détecter efficacement des planètes à courte séparation. Les données prises lors du programme de vérification de l'instrument m'ont tout de même permis de redétecter une planète, 2M0437 b, récemment découverte. Cette détection permet également de discuter de l'efficacité et des dépendances de cette nouvelle méthode de détection. Ces dernières limitations m'ont amené à discuter d'autres méthodes de détection utilisant également la diversité spectrale des données.Dans un second temps, je présente mes travaux sur le développement à l'IPAG d'un spectromètre optimisé pour la caractérisation d'exoplanètes à haute résolution spectrale (R=80000). J'ai travaillé sur la mise au point de procédures d'alignement et de calibration pour valider le fonctionnement du spectromètre. J'ai ensuite développé une routine d'extraction du signal pour extraire le spectre à haute résolution des objets observés. L'instrument a été validé en conditions réelles en le couplant au télescope de Hale du Mont Palomar en mars 2022. Depuis, le spectromètre VIPA entre dans une nouvelle phase d'amélioration pour la préparation de futures missions sur ciel plus ambitieuses à l'horizon 2024.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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