Astrophysical studies of extrasolar planetary systems using infrared interferometric techniques
Résumé
The study of extrasolar planetary systems has thrived during the last two decades, stimulated by the discovery of circumstellar dust and extrasolar planets around main sequence stars. However, direct imaging of planetary systems has been possible in only very special cases so far due to the huge contrast and to the small angular separation between stars and their environments. Even for these favourable cases, the inner regions where terrestrial planets are expected to be forming and where life could develop have not been investigated yet due to the lack of appropriate tools. Infrared interferometry is a very promising technique in this context, as it provides the required angular resolution to separate the emissions from the star and its immediate neighbourhood.
The present work aims at developing the high dynamic range capabilities of interferometric techniques for the characterisation of planetary systems. As a first step, we demonstrate that current interferometric facilities have the potential of detecting dust in the first few astronomical units of massive debris disks around nearby stars. Our observations of Vega with the FLUOR near-infrared beam combiner at the CHARA Array reveal the presence of warm dust responsible for a K-band flux 78 times fainter than the stellar photospheric emission. In order to extend the imaging of planetary systems to fainter disks and to giant extrasolar planets, we investigate in a second step the performance of future ground-based nulling interferometers, taking into account atmospheric effects in a realistic way. Our simulations show that a nulling instrument installed at the ESO Very Large Telescope Interferometer would detect circumstellar features as faint as a few 10^-4 of the stellar flux. Finally, the third part of this work focuses on the implementation of nulling interferometry on future space-borne missions, the goal being to characterise extrasolar planets with sizes down to that of the Earth.
The present work aims at developing the high dynamic range capabilities of interferometric techniques for the characterisation of planetary systems. As a first step, we demonstrate that current interferometric facilities have the potential of detecting dust in the first few astronomical units of massive debris disks around nearby stars. Our observations of Vega with the FLUOR near-infrared beam combiner at the CHARA Array reveal the presence of warm dust responsible for a K-band flux 78 times fainter than the stellar photospheric emission. In order to extend the imaging of planetary systems to fainter disks and to giant extrasolar planets, we investigate in a second step the performance of future ground-based nulling interferometers, taking into account atmospheric effects in a realistic way. Our simulations show that a nulling instrument installed at the ESO Very Large Telescope Interferometer would detect circumstellar features as faint as a few 10^-4 of the stellar flux. Finally, the third part of this work focuses on the implementation of nulling interferometry on future space-borne missions, the goal being to characterise extrasolar planets with sizes down to that of the Earth.
L'étude des systèmes planétaires extrasolaires a considérablement fleuri durant les vingt dernières années, stimulée par la découverte de poussières circumstellaires et de planètes extrasolaires autour d'étoiles de la séquence principale. Cependant, l'imagerie directe de ces systèmes planétaires n'a été jusqu'à présent possible que dans certains cas particuliers à cause de l'important contraste et de la faible distance angulaire entre les étoiles et leur environnement. Même dans ces cas favorables, les régions internes où les planètes rocheuses sont censées se former et où la vie pourrait se développer n'ont pu être étudiées jusqu'ici de par l'absence d'outils appropriés. L'interférométrie infrarouge est une technique très prometteuse dans ce contexte, car elle fournit la résolution angulaire nécessaire pour séparer le rayonnement des étoiles et de leur voisinage immédiat.
Le présent travail vise à développer les capacités d'imagerie à haute dynamique des techniques interférométriques pour la caractérisation des systèmes planétaires. Dans un premier temps, nous démontrons que les facilités interférométriques actuelles ont le potentiel de détecter la présence de poussières dans les premières unités astronomiques des disques de débris massifs autour d'étoiles proches. Nos observations de Véga avec le recombinateur infrarouge proche FLUOR installé sur l'interféromètre CHARA révèlent la présence de poussières chaudes responsables d'une émission représentant seulement 1/78ème du rayonnement stellaire en bande K. Dans le but d'étendre l'imagerie des systèmes planétaires à des disques plus ténus et aux planètes extrasolaires, nous étudions ensuite les performances au sol de futurs interféromètres en mode destructif en tenant compte de façon réaliste des effets de l'atmosphère. Nos simulations montrent qu'un instrument installé à l'interféromètre du Very Large Telescope de l'ESO et fonctionnant en mode destructif pourrait détecter des structures circumstellaires aussi faibles que quelques 10^-4 fois le flux stellaire. Finalement, la troisième partie de ce travail se concentre sur l'implémentation de l'interférométrie en mode destructif sur des futures missions spatiales, dans le but de caractériser des planètes extrasolaires aussi petites que la Terre.
Le présent travail vise à développer les capacités d'imagerie à haute dynamique des techniques interférométriques pour la caractérisation des systèmes planétaires. Dans un premier temps, nous démontrons que les facilités interférométriques actuelles ont le potentiel de détecter la présence de poussières dans les premières unités astronomiques des disques de débris massifs autour d'étoiles proches. Nos observations de Véga avec le recombinateur infrarouge proche FLUOR installé sur l'interféromètre CHARA révèlent la présence de poussières chaudes responsables d'une émission représentant seulement 1/78ème du rayonnement stellaire en bande K. Dans le but d'étendre l'imagerie des systèmes planétaires à des disques plus ténus et aux planètes extrasolaires, nous étudions ensuite les performances au sol de futurs interféromètres en mode destructif en tenant compte de façon réaliste des effets de l'atmosphère. Nos simulations montrent qu'un instrument installé à l'interféromètre du Very Large Telescope de l'ESO et fonctionnant en mode destructif pourrait détecter des structures circumstellaires aussi faibles que quelques 10^-4 fois le flux stellaire. Finalement, la troisième partie de ce travail se concentre sur l'implémentation de l'interférométrie en mode destructif sur des futures missions spatiales, dans le but de caractériser des planètes extrasolaires aussi petites que la Terre.