Characterization of exoplanetary atmospheres with high resolution spectroscopy

Caractérisation des atmosphères exoplanétaires par spectroscopie haute résolution Bien que des milliers d'exoplanètes aient été confirmées au cours des deux dernières décennies, des contraintes observationnelles sur leur composition n'ont été obtenues que pour quelques centaines d'entre elles. Les méthodes de détection actuelles ne donnent en effet accès qu'au rayon et à la masse de la planète, et donc à sa densité moyenne, ce qui conduit généralement à une importante dégénérescence en termes de composition et structure. La caractérisation des atmosphères exoplanétaires constitue donc un défi pour la communauté : contraindre la composition, la dynamique, et la structure globale de l'atmosphère d'une exoplanète permet de mieux comprendre l'histoire de sa formation et de son évolution, et de replacer notre système solaire dans un contexte plus large grâce à la planétologie comparée. La spectroscopie de transmission s'est imposée comme une méthode puissante pour la caractérisation des atmosphères exoplanétaires : lorsqu'une exoplanète passe devant son étoile hôte, une partie du flux stellaire traverse l'atmosphère de l'exoplanète, imprimant la signature de ses composants moléculaires sur le flux observé. L'observation de ces spectres avec des spectromètres à haute résolution depuis le sol permet de détecter les espèces présentes dans l'atmosphère et de sonder sa dynamique, tout en étant moins sensible que les observations spatiales, à basse ou moyenne résolution spectrale, aux opacités des nuages et brumes photochimiques. Cependant, l'analyse de ces observations nécessite des méthodes de traitement des données de pointe pour corriger les effets de l'atmosphère terrestre, les contributions de l'étoile en arrière-plan, et extraire le faible signal planétaire dont l'amplitude des raies est bien plus faible que le bruit. Durant cette thèse, j'ai travaillé sur la caractérisation atmosphérique de quinze exoplanètes observées avec SPIRou, un spectropolarimètre infrarouge installé au télescope Canada-France-Hawaï. J'ai développé un pipeline complet pour rechercher des signatures de l'échappement atmosphérique et de molécules dans les cibles étudiées, en tenant compte d'effets subtils comme la déformation des raies stellaires induite par le transit de l'exoplanète. J'ai recherché la signature du triplet métastable de l'hélium à 1083,3 nm (dans le vide), un traceur infrarouge de l'échappement atmosphérique, et ai contraint les propriétés de l'échappement en utilisant une combinaison de modèles hydrodynamiques 1D et de codes de transfert radiatif hors équilibre thermodynamique local. En utilisant des méthodes de corrélation croisée et de Nested Sampling couplées à un code d'équilibre radiatif-convectif 1D et à un modèle de transfert radiatif à haute résolution, j'ai recherché la présence de H2O, CO, et CH4, et ai contraint leurs abondances dans les planètes étudiées. L'application d'un même pipeline de réduction à un ensemble de cibles observées avec un même instrument m'a permis d'obtenir des contraintes de façon homogène, participant ainsi à notre compréhension statistique des exoplanètes en termes de compositions et de structure atmosphérique.