From Hubble and JWST to LIFE: observing exoplanet atmospheres across wavelengths and generations

Durant les últimes tres dècades, el ràpid augment en el nombre i la diversitat d'exoplanetes coneguts ha transformat profundament el camp, desplaçant el seu enfocament principal de la detecció de nous mons cap a la caracterització física i química detallada de les seves atmosferes. Aquesta transició ha estat impulsada pels avanços en les tècniques de caracterització atmosfèrica, en particular la espectroscòpia de transmissió, i pel desenvolupament d'observatoris espacials com HST i JWST, que han revelat una gran diversitat d'atmosferes exoplanetàries i, al mateix temps, han plantejat noves preguntes sobre els processos que les modelen. En aquesta Tesi abordo algunes d'aquestes qüestions mitjançant una sèrie d'estudis que abasten diferents rangs de longitud d'ona i observatoris, combinant l'anàlisi d'observacions de diversos exoplanetes amb el desenvolupament de nous models i estratègies observacionals. En primer lloc, exploro el règim UV/òptic utilitzant observacions amb HST obtingudes dins del programa HUSTLE. En aquest context, desenvolupo i valido un paquet de reducció de dades per al filtre WFC3/UVIS G280, el qual utilitzo per a analitzar les observacions del Júpiter calent KELT-7 b (Teq ≈ 2000 K). Presento l'espectre de transmissió resultant entre 0.2–0.8 µm, i el combino amb observacions prèvies per a construir un espectre del planeta en el rang 0.2–1.7 µm. A partir de la interpretació atmosfèrica, infereixo una abundància relativament alta d'H- que suggereix un estat de desequilibri químic en l'atmosfera del planeta, així com la presència de d’inhomogeneïtats brillants a la superfície estel·lar. A continuació, em desplaço cap a l'infraroig proper desenvolupant dos projectes diferents amb JWST, l'observatori espacial més potent actualment en operació. En primer lloc, presento observacions del sub-Jovià temperat WASP-80 b, obtingudes amb NIRISS/SOSS com a part del programa The Grand Tour. L'espectre de transmissió resultant, entre 0.8–2.75 µm, mostra característiques compatibles amb H2O i CH4, a més d'un pendent pronunciat cap a longituds d'ona més curtes. Una interpretació atmosfèrica preliminar suggereix la presència de núvols amb una fracció de cobertura del 70%. En segon lloc, proposo un marc general per a modelar corbes de llum asimètriques d'exoplanetes envoltats per atmosferes en escapament. Valido la robustesa del mètode mitjançant proves d'injecció i recuperació sobre dades sintètiques, i posteriorment l'aplico a observacions de HAT-P-18b obtingudes amb NIRISS/SOSS, les quals mostren un escapament d'heli significatiu. Els resultats indiquen que el planeta ha de posseir una cua posterior de 15.79Rp i una cua davantera de 5.11Rp. Finalment, investigo la futura caracterització de planetes rocosos similars a la Terra en l'infraroig mitjà mitjançant LIFE, un concepte de missió liderat des d'Europa basat en un interferòmetre espacial en rotació. Donades les complexitats tècniques associades a una configuració rotatòria, proposo dos esquemes alternatius per a modular el senyal del planeta basats únicament en desplaçaments lineals, la qual cosa podria oferir avantatges en termes de consum de combustible i soroll instrumental. Simulacions del retorn científic de la missió mostren que no existeix una pèrdua significativa de sensibilitat en comparació amb la modulació rotatòria, el que suggereix que aquests esquemes podrien aportar major flexibilitat tècnica sense comprometre el rendiment científic. En conjunt, aquests projectes representen un pas cap a una comprensió més àmplia de les atmosferes d'exoplanetes en diferents rangs de longitud d'ona i observatoris. Tot i que el focus se situa principalment en gegants gasosos, els processos identificats en aquesta tesi, com la química en desequilibri, els núvols o l’escapament atmosfèric, així com les estratègies de reducció de dades, modelatge i observació desenvolupades al llarg d'aquest treball, proporcionen un marc essencial per a la futura caracterització d'exoplanetes terrestres i la cerca de possibles bioindicadors en les seves atmosferes.