Étude des planètes rocheuses en émission thermique avec JWST : Le cas du système TRAPPIST-1

Les milliers d'exoplanètes détectées à ce jour nous permettent de voir plus loin que le système solaire, grâce à la découverte de mondes exotiques, mais aussi au travail statistique permis par le grand nombre de ces objets. Parmi eux, les exoplanètes rocheuses tempérées intéressent beaucoup~: bien qu'elles soient plus difficiles à détecter et à caractériser, ce sont elles qui ont le plus de potentiel pour accueillir une forme de vie détectable depuis la Terre. À cause de la petite taille de ces planètes et des biais observationnels qui rendent beaucoup plus facile de détecter une planète tout près de son étoile, ce sont autour des étoiles les plus petites et les plus froides, les naines M, que les exoplanètes tempérées ont été découvertes jusqu'ici. Le système TRAPPIST-1, avec sept exoplanètes rocheuses tempérées, offre des possibilités uniques pour l'étude de ce type d'objets. Pour l'instant, il n'y a pas encore eu de détection claire d'atmosphère sur une exoplanète rocheuse, malgré les nombreuses tentatives déjà réalisées par le télescope spatial James Webb depuis le début de ses opérations à l'été 2022. En effet, la méthode classique, la spectroscopie de transit, souffre de contamination par les inhomogénéités à la surface de l'étoile, qui limitent fortement l'exploitation de ce type d'observations. Mais il est aussi possible de détecter des atmosphères en étudiant l'émission des exoplanètes. Ainsi, quand la planète passe derrière l'étoile (éclipse secondaire), elle engendre une baisse de luminosité correspondant à l'émission thermique du côté jour de la planète. Des éclipses secondaires ont été observées pour quelques exoplanètes, notamment les deux plus chaudes du système TRAPPIST-1, b et c. L'émission des exoplanètes peut aussi être mesurée à travers une courbe de phase, tout au long de l'orbite de la planète. Cela a été fait pour TRAPPIST-1 b et c, faisant de ces planètes les plus froides à avoir été observées avec cette technique à ce jour. Dans ce contexte, le but de ma thèse était d'interpréter ces observations. Pour cela, j'ai eu recours à des modèles d'atmosphères pour produire des observables synthétiques et les comparer aux données récoltées. J'ai utilisé les avantages respectifs d'un modèle 1D, rapide et simple, et d'un modèle de circulation générale 3D (GCM), plus complexe et précis, pour explorer différentes possibilités d'atmosphères autour de TRAPPIST-1 b et c. Pour chacune de ces planètes, j'ai étudié plusieurs types d'atmosphères et leur compatibilité avec les observations. Cela m'a permis de repérer divers effets 3D qui ne peuvent pas être prédits en 1D, comme la dépendance en altitude de la redistribution de chaleur ou l'effondrement atmosphérique dû à la condensation de ses composants. J'ai montré que TRAPPIST-1 b est soit une planète rocheuse nue, soit possède une atmosphère très mince pauvre en gaz absorbants et/ou condensables, soit pourrait posséder une atmosphère avec une inversion thermique et des aérosols, bien que ce dernier cas semble peu probable. TRAPPIST-1 c est différente. Elle peut être planète rocheuse nue, mais différents modèles d'atmosphères avec du CO2, du SO2 ou une inversion expliquent mieux les données. Il n'est donc pas possible de conclure. Par ailleurs, les observations en émission actuelles ne permettent pas non plus de conclusion pour les planètes externes. Enfin, cette étude détaillée de planètes individuelles est utile pour la mise en place de stratégies d'observations, notamment car elle permet d'évaluer dans quelle mesure les observations en émission peuvent être informatives sur la présence d'atmosphères.