Thèse Spectroscopie des Naines m et Caractérisation des Atmosphères des Exoplanètes H/F - 40

Établissement : Université Côte d'Azur
École doctorale : SFA - Sciences Fondamentales et Appliquées
Laboratoire de recherche : Laboratoire J.L. LAGRANGE
Direction de la thèse : Andrea CHIAVASSA ORCID 0000000338917554
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-24T23:59:59

Les étoiles naines M représentent environ 75 % du voisinage solaire et hébergent le premier ensemble d'exoplanètes rocheuses tempérées qui seront étudiées au cours des 15 prochaines années, d'abord par le JWST dans le cadre d'une reconnaissance exploratoire, puis par l'Extremely Large Telescope (ELT) de l'ESO grâce à la spectroscopie à haute résolution (R > 50 000). Aux rapports de contraste extrêmes entre les signaux planétaires et stellaires, il est primordial de comprendre les propriétés et les signaux corrélés dans le temps de l'étoile hôte afin de pouvoir les distinguer de l'atmosphère de l'exoplanète, bien plus faible. Pourtant, la modélisation des étoiles naines M à une telle résolution reste rare, et aucun travail systématique n'a été réalisé pour évaluer même la précision de base des listes de raies moléculaires (par ex. TiO, VO, HO), dont les lacunes sont connues aux températures pertinentes pour la photosphère stellaire.
Ce projet combine des modèles stellaires tridimensionnels de pointe avec des techniques courantes de traitement des données et d'extraction de signaux à haute résolution spectrale (analyse en composantes principales, corrélation croisée), qui seront au coeur des observations au sol avec l'ELT. Il vise à : i) tester et améliorer le choix des listes de raies moléculaires pour la modélisation des naines M, ii) simuler les effets temporels les plus pertinents (variations du centre au limbe, effet Rossiter-McLaughlin) connus pour impacter la caractérisation des exoplanètes, et iii) quantifier l'effet de la négligence de l'étoile hôte sur la détermination précise des abondances moléculaires et de la température atmosphérique des exoplanètes.

Bien que la spectroscopie à haute résolution (HRS) soit couramment utilisée pour étudier les atmosphères exoplanétaires, les effets de l'étoile hôte ne sont que rarement pris en compte et dans des contextes limités (par ex. pour l'étude de raies spectrales planétaires individuelles comme le sodium). Cela contraste fortement avec les observations spatiales à plus faible pouvoir de résolution spectrale, comme celles du JWST, où les effets stellaires sont estimés et atténués depuis au moins une décennie, bien que le niveau de détail varie largement dans la littérature. Par exemple, les modèles stellaires unidimensionnels sont couramment utilisés, alors qu'ils ne parviennent pas à capturer la dynamique de la photosphère stellaire et l'asymétrie des raies spectrales - des caractéristiques évidentes aux pouvoirs de résolution typiquement utilisés depuis le sol. De plus, les études passées se sont principalement concentrées sur les étoiles FGK, ignorant ainsi l'échantillon clé des naines M, qui hébergent les premières exoplanètes tempérées ciblées par les observations de l'ELT (première lumière en 2027).
Il est essentiel d'évaluer dès maintenant l'impact des spectres des naines M sur la science des exoplanètes, non seulement pour estimer correctement la capacité à mesurer les gaz biosignatures clés, mais aussi pour orienter la conception finale des instruments de l'ELT, en particulier les spectrographes ANDES et PCS. Ce projet vise à combler cette lacune en explorant trois axes majeurs (voir Objectifs ci-dessous) : la simulation précise des spectres des naines M, la simulation des signaux contaminants dépendants du temps lors du transit d'une exoplanète et l'estimation quantitative des biais dans les abondances exoplanétaires mesurées. Les résultats de ce projet auront un impact durable sur la prochaine décennie de recherche en exoplanétologie et renforceront le caractère hautement pluridisciplinaire de la spectroscopie stellaire et exoplanétaire.

Évaluation quantitative de la précision des opacités stellaires pertinentes pour les naines M. Il s'agit d'un défi de longue date pour les modèles d'atmosphères exoplanétaires, mais il est également central pour les étoiles, en particulier pour certaines espèces comme la vapeur d'eau, présente à la fois dans l'étoile et dans l'exoplanète. Une comparaison directe entre les modèles stellaires et les observations permettra d'identifier d'éventuels biais et de déterminer la source d'opacité la plus fiable.

Modélisation des variations du centre au limbe et des effets de Rossiter-McLaughlin. Lors d'un transit exoplanétaire, ces deux effets provoquent une distorsion des raies stellaires qui évolue dans le temps et peut ressembler à une signature exoplanétaire. L'objectif est d'évaluer l'ampleur de ces effets et de déterminer la possibilité de les corriger directement dans les observations.

Estimation des biais dans les analyses bayésiennes des abondances planétaires. En utilisant des techniques Monte Carlo et des méthodes bayésiennes de restitution, cette dernière phase du projet vise à quantifier les biais dans la mesure des propriétés planétaires lorsque le spectre stellaire sous-jacent n'est pas corrigé, et à démontrer l'amélioration obtenue grâce aux modèles développés dans les objectifs 1) et 2).

Le doctorant utilisera des simulations de convection stellaire multi-dimensionnelles de pointe (code Stagger, Stein et al. 2024) pour différents types d'étoiles (Rodríguez Díaz et al. 2022). En complément, il/elle réalisera des calculs de synthèse spectrale pour ces objets (Chiavassa et al. 2018). L'évaluation de la précision des opacités stellaires s'appuiera sur les opacités moléculaires de pointe issues de la base de données ExoMol. Enfin, la modélisation des variations du centre au limbe et des effets de Rossiter-McLaughlin à haute résolution spectrale sera réalisée à l'aide du cadre existant décrit dans Chiavassa & Brogi 2019. Pour l'évaluation des biais dans la mesure des abondances et de la température des exoplanètes, le cadre méthodologique de Brogi & Line (2019), largement adopté par la communauté, sera utilisé.