Optical interferometric detection of young giant exoplanets at the astronomical unit scale
Détection par interférométrie optique d'exoplanètes géantes jeunes à l'échelle de l'unité astronomique
Résumé
Direct observations provide key information about exoplanetary systems. By analyzing the position of planets at different times, we can determine their orbits and trace the dynamic history of the systems. By analyzing their emission spectra, we can determine the temperature of exoplanets, as well as the chemical composition of their atmosphere, containing tracers of their formation mechanism.However, direct observations are currently limited. Angular resolution limits allow us to observe only the exoplanets furthest from their star, generally more than 10 astronomical units away. Also, the limits of contrast with the host star mean that we can only observe young giant exoplanets, less than 15 Myr, whose infrared thermal radiation is still strong due to their recent formation. To better understand the formation and evolution of planetary systems, these limits must be pushed back to enable direct observations of gas giants on the scale of the astronomical unit.Since 2019, the GRAVITY instrument installed on the Very Large Telescope Interferometer in Chile has made it possible to observe exoplanets at angular separations previously unattainable by conventional direct imaging instruments. Recently, the instrument enabled the first direct observations of the planets β Pictoris c and HD 206893 c, respectively 8.2 and 12.7 masses from Jupiter and 2.7 and 3.5 astronomical units from their star.In summer 2024, the GRAVITY+ upgrade will install new adaptive optics crucial for obtaining better contrast and making observations of less massive exoplanets closer to their star. In 2026, the Gaia space telescope will publish a new list of exoplanets discovered around 2 astronomical units from their star using absolute astrometry. GRAVITY+ will be an instrument of choice for characterizing these planets, measuring their mass and spectrum at wavelengths close to 2 µm.My thesis involves understanding the current limitations of GRAVITY, and preparing the GRAVITY+ upgrade to enable direct observation of "young Jupiters" as close as possible to their star. My thesis was divided into three parts.Firstly, I analyzed data from archival observations to quantify GRAVITY's current limitations in contrast and angular separation. I was able to determine that we could observe exoplanets 30,000 times fainter than their star, down to 50 milli-arcseconds.Secondly, I worked on observational data reduction to understand the source of systematic noise that pollutes exoplanet spectra. I was able to determine the conditions under which these noises appear and their impact on observations.Thirdly, I worked directly on the instrument to implement a high-contrast mode for GRAVITY+. This specific mode for exoplanet observations involves optical aberration correction and wavefront control. The high-contrast mode will limit the impact of host starlight, enabling us to observe less massive and younger exoplanets.In the years to come, the synergy between Gaia and GRAVITY+ will allow us to finely characterize many young giant exoplanets, and certainly transform our vision of how planetary systems form and how they evolve.
Les observations directes fournissent des informations capitales sur les systèmes exoplanétaires. Par l'analyse de la position des planètes à différentes époques, nous pouvons déterminer leur orbite et remonter à l'histoire dynamique des systèmes. Par l'analyse de leur spectre en émission, nous pouvons déterminer la température des exoplanètes ainsi que la composition chimique de leur atmosphère, contenant des traceurs de leur mécanisme de formation.Seulement, les observations directes sont actuellement limitées. Les limites de résolution angulaire nous permettent d'observer uniquement les exoplanètes les plus éloignées de leur étoile, généralement à plus de 10 unités astronomiques. Aussi, les limites de contraste avec l'étoile hôte nous permettent d'observer uniquement des exoplanètes géantes jeunes, de moins de 15 Myr, dont le rayonnement thermique infrarouge est encore fort du fait de leur formation récente. Pour mieux comprendre la formation et l'évolution des systèmes planétaires, ces limites doivent être repoussées pour permettre des observations directes de géantes gazeuses à l'échelle de l'unité astronomique.Depuis 2019, l'instrument GRAVITY installé sur le Very Large Telescope Interferometer au Chili permet d'observer des exoplanètes à des séparations angulaires jusqu'ici inatteignable par les instruments d'imagerie directe classique. Récemment, l'instrument a permis de réaliser les premières observations directes des planètes β Pictoris c et HD 206893 c, respectivement de 8.2 et 12.7 masses de Jupiter et à 2.7 et 3.5 unités astronomiques de leur étoile.Dès l'été 2024, la mise à jour GRAVITY+ va installer des nouvelles optiques adaptatives cruciales pour obtenir un meilleur contraste et réaliser des observations d'exoplanètes moins massives et plus proches de leur étoile. En 2026, le télescope spatial Gaia publiera une nouvelle liste d'exoplanètes découvertes autour de 2 unités astronomiques de leur étoile par méthode d'astrométrie absolue. GRAVITY+ sera un instrument de choix pour caractériser ces planètes, mesurer leur masse et leur spectre à des longueurs d'onde proche de 2 µm.Ma thèse consiste à comprendre les limites actuelles de l'instrument GRAVITY et à préparer la mise à jour GRAVITY+ afin de permettre l'observation directe de "Jupiters-jeunes'' au plus proche de leur étoile. Pour ceci, ma thèse s'est découpée en trois parties.Premièrement, j'ai analysé des données d'observations passées pour quantifier les limites actuelles de GRAVITY en contraste et séparation angulaire. J'ai pu déterminer que l'instrument nous permettait d'observer des exoplanètes 30 000 fois moins brillantes que leur étoile, et ce jusqu'à 50 milli-arcseconde.Deuxièmement, j'ai travaillé sur la réduction des données d'observations afin de comprendre la source de bruits systématiques qui polluent les spectre d'exoplanètes. J'ai pu déterminer à quelles conditions ces bruits apparaissent et leur impact sur les observations.Troisièmement, j'ai travaillé directement sur l'instrument à l'implémentation d'un mode haut-contraste pour GRAVITY+. Ce mode spécifique pour les observations d'exoplanètes implique une correction des aberrations optiques ainsi qu'un contrôle du front d'onde. Le mode haut-contraste limitera l'impact de la lumière des étoiles hôtes et donc d'observer des exoplanètes moins massives et moins jeunes.Dans les années à venir, la synergie entre Gaia et GRAVITY+ va permettre de caractériser finement de nombreuses exoplanètes géantes jeunes, et certainement transformer notre vision de la manière dont les systèmes planétaires se forment et comment ils évoluent.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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