Apport de la chimie quantique et des modèles cinétiques de combustion à l'étude des atmosphères d'exoplanètes

Durant ces dernières décennies, la caractérisation des atmosphères d'exoplanètes a été l'un des défis majeurs de la recherche en astrophysique. L'abondance de ces objets (5765 détections confirmées au 10/03/2024) interroge sur leur profil et leur répartition dans l'univers. L'étude de leur population a révélé qu'une grande partie d'entre elles sont des planètes gazeuses orbitant proche de leur étoile, et donc soumises à un flux stellaire intense. Ces planètes, sans équivalent dans notre système solaire, baptisées Jupiters et Neptunes Chauds, soulèvent beaucoup de questions, notamment sur leur mécanisme de formation. La connaissance de la composition chimique de leur atmosphère se révèle alors être la clé pour obtenir des indices sur leur histoire. Leur observation avec les télescopes spatiaux Spitzer, Hubble (HST), puis James Webb (JWST) a révélé des molécules telles que H2O, CO, CH4, NH3, CO2, et plus récemment SO2. Cette dernière, produite par une succession de réactions radicalaires initiées par les photodissociations liées au rayonnement ultraviolet de l'étoile, est le premier composé soufré à avoir été détecté sur une exoplanète. Cette forme du soufre, thermodynamiquement défavorisée par rapport à H2S, a révélé le rôle clé de la modélisation pour son identification. En effet, la compréhension de ces atmosphères nécessite l'utilisation de modèles cinétiques pour décrire les réactions radicalaires, qui restent encore mal connues pour les systèmes hétéroatomiques. La fiabilité de ces modèles est cruciale pour l'étude des exoplanètes, mais celle-ci reste encore aujourd'hui peu contrainte. Ce travail de thèse consiste donc à développer un modèle cinétique basé sur une validation systématique entre modélisation et données expérimentales afin de résoudre ce problème. En effet, la similarité entre les conditions rencontrées dans les atmosphères d'exoplanètes chaudes et celles en combustion permet de se baser sur les études existantes dans ce domaine pour une application aux atmosphères d'exoplanètes. Dans ce travail, des expériences de combustion sont mises à profit pour développer des réseaux cinétiques robustes et validés sur une large gamme de températures (800 - 2400 K) et de pressions (0.2 - 50 bar). Une approche théorique basée sur la chimie quantique, la thermodynamique statistique et les théories des vitesses de réaction est aussi utilisée, afin d'améliorer la modélisation de la chimie des molécules soufrées. Les réactions pertinentes sont explorées par la détermination des surfaces d'énergie potentielle, et la dépendance en température et pression des constantes de vitesse est calculée en résolvant l'équation maîtresse. Deux réseaux cinétiques ont été développés : le premier pour la chimie des espèces C/H/O/N, et le second pour les espèces C/H/O/N/S, construit par l'ajout de la chimie du soufre et de son couplage aux espèces C/H/O/N. Ces réseaux sont validés sur des données expérimentales de combustion de gaz purs (CH4, NH3, H2S, CH3SH, OCS, CS2...) et de leurs mélanges. Ces deux réseaux sont ensuite utilisés pour modéliser l'atmosphère de plusieurs Neptunes Chauds (GJ 436 b, GJ 1214 b, WASP-107 b) et Jupiters Chauds (HD 189733 b, HD 209458 b, WASP-39 b) avec le code de cinétique chimique à une dimension FRECKLL. Les processus de chimie hors équilibre induits par le mélange vertical et les photodissociations sont également analysés et leur impact sur le spectre infrarouge en transmission est quantifié. Ce travail constitue le premier réseau soufré validé sur des données expérimentales pour l'étude des atmosphères d'exoplanètes. L'étude approfondie du couplage C/S révèle une contribution importante à la chimie d'espèces majeures comme CH4. La fiabilité apportée par la validation méthodique de ces réseaux cinétiques se révèle cruciale pour l'interprétation des données du JWST et la préparation des observations du futur télescope spatial Ariel (Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large Survey).