Methods for the detection of exoplanets with low frequency radio waves. Target selection, contamination identification, detection methods and applications to Jupiter
Méthodes pour la détection d'exoplanètes en ondes radio basses fréquences. Sélection de cibles, identification des contaminations, méthodes de détection et applications à Jupiter
Abstract
Radio emissions related to plasma interactions between stars and planets have long been studied in the solar system. It has been proposed that by considering a flow-obstacle interaction between the two objects in the system, it is possible to deduce the power of the radio emission from the incident magnetic power (magnetised solar wind, planetary magnetic field) on the obstacle (magnetosphere, plasma torus, etc.). This scaling law applies to all planets in the solar system, as well as to Jupiter and its moons. Some of the exoplanets discovered since 1995 are called 'hot Jupiters', gas giants very close to their host star, and could thus present emission mechanisms similar to those observed around Jupiter. However, although these emissions are polarised and potentially periodic, they are also very likely transient (slowly variable or sporadic). Furthermore, even when scaling these potential emissions, the exoplanetary systems being very distant, the radio signal is expected to be weak in intensity on Earth. This would explain why they have never been detected at such frequencies. This is the context for this thesis: how can we facilitate the search for and detection of exoplanets using low-frequency radio waves? To address this question, the work carried out aimed to develop tools and methods for the exploitation of dynamic spectrum data (intensity as a function of time and frequency) obtained by the NenuFAR radio telescope. The work is divided into three parts: the creation of tools (i) allowing for a clever selection of targets to observe, and (ii) providing the ability to identify and anticipate the contamination of observations by various factors, and finally, (iii) the development of methods for detecting weak structured signals, inspired by Jovian emissions. Initially, I developed the PALANTIR code (Prediction Algorithm for star-pLANeT Interactions in Radio) to select promising exoplanetary systems observable with NenuFAR, based on its sensitivity and frequency range. This code is a major overhaul of previous work, improved by the addition of more recent and supplementary models. It is based on numerous physical models and scaling laws to be able, from a database, to predict the intensity and frequency of a radio emission from a given system. In parallel, tools for identifying and simulating possible contaminations of observations by external sources (intense radio sources, radio frequency interferences) have been developed. They allow optimising the planning of observations and their post-analysis. Finally, the analysis of radio observations of Jovian emissions has served to develop two methods for the automatic detection of signals in dynamic spectrum data. These two methods use techniques for summing the energy contained in the emission, thus improving the signal-to-noise ratio and making detection possible in the case of exoplanets. The first method allows the detection of sporadic, periodic, and circularly polarised signals, called millisecond bursts, which drift in the time-frequency plane. This analysis has notably shown the omnipresence of Alfvenic acceleration of electrons at Jupiter. The second method applies to the linear polarisation of slowly variable Jovian emissions. It notably allows the remote characterisation of the Jovian magnetosphere using the Faraday effect and rotation measure and to retrieve Io's synchronous period through Lomb-Scargle analysis.
Les émissions radio liées aux interactions plasma entre étoiles et planètes sont depuis longtemps étudiées dans le système solaire. Il a d’ailleurs été proposé qu’en considérant une interaction flot-obstacle entre les deux objets du système, il est possible de déduire la puissance de l’émission radio à partir de la puissance magnétique incidente (vent solaire magnétisé, champ magnétique planétaire) sur l’obstacle (magnétosphère, tore de plasma, ...). Cette loi d’échelle s’applique à toutes les planètes du système solaire, ainsi qu’à Jupiter et ses lunes. Une partie des exoplanètes découvertes depuis 1995 sont appelées « Jupiter chauds », des géantes gazeuses très proches de leur étoile hôte, et pourraient ainsi présenter des mécanismes d'émission similaires à ceux observés autour de Jupiter. Cependant, bien que ces émissions soient polarisées et potentiellement périodiques, elles sont aussi très probablement transitoires (lentement variable ou sporadique). De plus, même en mettant à l’échelle ces potentielles émissions, les systèmes exoplanétaires étant très éloignés, on s’attend à ce que le signal radio soit d’intensité faible à la Terre. Ce qui expliquerait pourquoi elles n’ont encore jamais été détectées à de telles fréquences. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse : comment faciliter la recherche et la détection d’exoplanètes en ondes radio basses fréquences ? Pour répondre à cette problématique, les travaux menés ont eu pour objectif de développer des outils et méthodes pour l’exploitation des données spectres dynamiques (intensité en fonction du temps et de la fréquence) obtenues par le radiotélescope NenuFAR. Ils se divisent en trois parties : la création d’outils (i) permettant une sélection astucieuse des cibles à observer, et (ii) donnant la possibilité d’identifier et d’anticiper la contamination des observations par divers facteurs, et enfin, (iii) le développement de méthodes de détection de signal faible structuré, inspiré des émissions joviennes. Dans un premier temps, j’ai développé le code PALANTIR (Prediction Algorithm for star-pLANeT Interactions in Radio) pour sélectionner les systèmes exoplanétaires prometteurs observables avec NenuFAR, en fonction de sa sensibilité et de son domaine de fréquences. Ce code est une refonte majeure de travaux antérieurs, améliorés par l’ajout de modèles supplémentaires et plus récents. Il est basé sur de nombreux modèles physiques et lois d'échelles afin de pouvoir, à partir d'une base de données, prédire l’intensité et la fréquence d'une émission radio provenant d’un système donné. En parallèle, des outils d’identification et de simulation des contaminations possibles des observations par des sources extérieures (radio sources intenses, interférences radiofréquences) ont été développés. Ils permettent d’optimiser la planification des observations et leur analyse à posteriori. Enfin, l’analyse des observation radio des émissions Joviennes a servi à développer deux méthodes de détection automatique du signal dans des données de type spectre dynamique. Ces deux méthodes utilisent des techniques de sommation de l’énergie contenue dans l’émission, améliorant ainsi le rapport signal sur bruit et rendant la détection possible dans le cas des exoplanètes. La première méthode permet la détection automatique de signaux sporadiques, périodiques et polarisés circulairement, appelés sursauts millisecondes, qui dérivent dans le plan temps-fréquence. Cette analyse a notamment permis de montrer l’omniprésence de l’accélération Alfvénique des électrons à Jupiter. La seconde méthode s’applique quant à elle à la polarisation linéaire des émissions Joviennes lentement variables. Elle permet notamment de caractériser à distance de la magnétosphère jovienne en utilisant l’effet Faraday et la mesure de rotation, et de retrouver la période synchrone de Io grâce à une analyse en Lomb-Scargle.
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