Exploring the physical diversity of exoplanets and brown dwarfs using high-resolution infrared spectroscopy at the VLT and ELT

Cette thèse est consacrée au domaine de la recherche sur les exoplanètes, en se concentrant sur la caractérisation atmosphérique à l'aide des spectrographes à haute résolution actuels sur les télescopes de 8m tels que le VLT et Gemini, et en explorant le potentiel des futurs télescopes tels que l'ELT. Je donne d'abord un aperçu des différentes techniques utilisées pour détecter et caractériser les exoplanètes. Une attention particulière est accordée à la spectroscopie de transit et à l'imagerie directe, les deux méthodes principales pour les études atmosphériques. Je discute également des modèles atmosphériques simples jusqu'aux modèles de circulation globale (GCM) plus avancés. Le coeur de la thèse est divisé en deux parties. La première est consacrée aux observations actuelles, en particulier dans le cadre du programme ExoWinds, qui vise à étudier les vents atmosphériques dans les Jupiters ultra-chauds. Sur la base d'un échantillon de cinq cibles, j'ai mené une étude comparative révélant à la fois une diversité et des tendances communes dans les signaux de fer détectés, probablement causées par des variations dans les propriétés planétaires. Ma première publication porte sur une des cibles de ce programme, TOI-1518b. En utilisant deux transits observés avec le spectrographe MAROON-X, j'ai effectué une analyse détaillée et détecté 14 espèces dans l'atmosphère de la planète. La comparaison avec les GCMs a révélé la présence d'un fort "drag", tandis qu'une analyse de "retrieval" a suggéré une abondance de fer cohérente avec les valeurs solaires. Cependant, les limites des GCMs et du modèle de "retrieval" ont également mis en évidence des biais possibles, en particulier pour les espèces ionisées et pour le retrieval multi-espèces. Ce chapitre se termine par mon travail sur deux autres cibles observées avec CRIRES+. Alors que WASP-20b n'a pas donné de résultats concluants en raison d'un faible rapport signal/bruit, l'expérience acquise m'a permis de demander avec succès du temps d'observation sur WASP-76b lors de l'appel à proposition P112 de l'ESO. L'analyse préliminaire montre des indications prometteuses de CO et de H2O, et des recherches supplémentaires sont prévues pour confirmer ces détections. La deuxième partie de la thèse se concentre sur le spectrographe à haute résolution de l'ELT, ANDES. J'étudie les performances de l'instrument en mode haut contraste pour la détection et la caractérisation des exoplanètes. Dans ce contexte, j'ai conçu un coronographe de Lyot capable d'atteindre le contraste requis de 10⁻³ à 25 mas à 1.6 μm. Cette conception a été validée par le groupe SCAO d'ANDES. Le coronographe est désormais développé au Laboratoire de Lagrange, et sera inclus dans le prochain "Preliminary Design Review". Pour simuler des observations réalistes avec ANDES, j'ai développé un simulateur de bout en bout appelé APU. Cet outil reproduit toutes les étapes : la génération d'images à haut contraste, la photométrie et l'estimation du bruit, l'injection de scènes astrophysiques et l'analyse des données. J'ai appliqué APU à un cas scientifique impliquant des jeunes Jupiters en imagerie directe. Les résultats montrent que, dans d'excellentes conditions d'observations, des planètes avec des contrastes allant jusqu'à 10⁻⁷ pourraient être détectées à une séparation angulaire de 30 mas. Ces simulations soulignent l'importance de développer des stratégies optimisées pour combiner le signal planétaire réparti sur plusieurs spaxels. La thèse se termine par une description des perspectives d'avenir pour le simulateur APU comme l'exploration de différents cas scientifiques, y compris la détection de biosignatures dans les exoplanètes semblables à la Terre.