Exoplanet characterization using ground-based and space-based direct imaging: Application to the SPICES mission and the VLT/NaCo instrument

Caractérisation des exoplanètes par imagerie depuis le sol et l'espace : Application à la mission SPICES et à l'instrument VLT/NaCo

Anne-Lise Maire (1)

1 LESIA - Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique

Direct imaging is currently the only available method to characterize the atmosphere of long-period exoplanets (≥1 AU). This technique is difficult to carry out because it requires high contrasts at short angular separations (10^6-10^10 at ~0,2''). During my PhD thesis, I focused on two instruments : the SPICES mission and the VLT/NaCo instrument. SPICES (Spectro-Polarimetric Imaging and Characterization of Exoplanetary Systems) is a project of space coronagraph which aims to characterize in spectro-polarimetry cold exoplanets and faint circumstellar disks (≥1 zodi). I determined the science performance of the mission using numerical simulations. SPICES could characterize Jupiters at separations ≤5 AU and distances ≤10 pc, super-Earths at 1-2 AU for a few stars within 4-5 pc and possibly Earths around α Centauri A. Considering all stellar types, I estimated an amount of ~300 potential targets. In the second part of my PhD thesis, I analyzed images taken in coronagraphic and differential imaging modes of the NaCo instrument. The objective was to search for gas giant planets as cool as 500-1300 K at separations of 5-10 AU around a selected sample of young and nearby stars (<200 Myr, <25 pc). Median detection limits give contrasts of ~10−5 at 1'', corresponding to effective temperatures and masses of 1100 K and 10 MJ, and complement statistical studies based on radial velocities.

L'imagerie directe est actuellement la seule méthode disponible pour caractériser l'atmosphère des exoplanètes à longue période orbitale (≥1 UA). Cette méthode est difficile à mettre en œuvre parce qu'elle requiert de hauts contrastes à des séparations angulaires très proches (10^6-10^10 à ~0,2''). Pendant ma thèse, je me suis intéressée à deux instruments : la mission SPICES et l'instrument VLT/NaCo. SPICES (Spectro-Polarimetric Imaging and Characterization of Exoplanetary Systems) est un projet de coronographe spatial qui a pour objectif la caractérisation spectro-polarimétrique d'exoplanètes froides et de disques circumstellaires faibles (≥1 zodi). J'ai déterminé à l'aide de simulations numériques les performances scientifiques de cette mission. Pour une étoile solaire, SPICES pourrait caractériser des Jupiters à des séparations ≤5 UA et des distances ≤10 pc, des super-Terres à 1-2 UA pour quelques étoiles à moins de 4-5 pc et des Terres autour de α Centauri A. En considérant tous les types stellaires, j'ai estimé un nombre d'étoiles cibles potentielles de ~300. Dans la deuxième partie de ma thèse, j'ai analysé des données d'imagerie coronographique et différentielle angulaire et spectrale de l'instrument NaCo. L'objectif de ce programme d'observation était de chercher des planètes géantes gazeuses aussi froides que 500-1300 K à des séparations de 5-10 UA autour d'un échantillon sélectionné d'étoiles jeunes et proches (<200 Ma, <25 pc). Les limites de détection médiane atteignent des contrastes de ~10^−5 à 1'', correspondant à des températures effectives et masses de 1100 K et 10 MJ. Ces observations permettent de contraindre les propriétés des planètes géantes à longue période orbitale (>5 UA) et complètent les études statistiques basées sur les vitesses radiales.

Mots clés: exoplanets; high-contrast imaging; coronagraphy; angular differential imaging; spectral differential imaging

Mots clés: exoplanètes; imagerie haute dynamique; coronographie; imagerie différentielle angulaire; imagerie différentielle spectrale

Domaines: Instrumentation et méthodes pour l'astrophysique [astro-ph.IM]; Instrumentation et méthodes pour l'astrophysique [astro-ph.IM]

Anne-Lise Maire. Caractérisation des exoplanètes par imagerie depuis le sol et l'espace : Application à la mission SPICES et à l'instrument VLT/NaCo. Instrumentation et méthodes pour l'astrophysique [astro-ph.IM]. Observatoire de Paris, 2012. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00750252v2⟩