Characterize planetary systems of nearby active red dwarfs with SPIRou - Archive ouverte HAL
Thèse Année : 2020

Characterize planetary systems of nearby active red dwarfs with SPIRou

Caractériser les systèmes planétaires de naines rouges actives proches avec SPIRou

Résumé

In the past two decades, about 4300 exoplanets embedded in more than 3000 planetary systems have been discovered. Among these planets, only a handful of Earth-like planets orbiting in the habitable zone (HZ) of their host star were found, most of them being too far away to probe their atmosphere with forthcoming missions like the JWST and the ELTs, and search for potential biosignatures therein. Detecting new nearby HZ terrestrial planets is therefore an essential step in the quest for extraterrestrial life. M dwarfs are key targets in this venture. They largely dominate the stellar population in the solar neighborhood, they are known to frequently host multiple low-mass planets, and they feature smaller radii and closer-in HZ than Sun-like stars, making it easier to detect Earth-twins around them. Moreover, studying the formation and evolution of HZ planets is key for understanding the hypothetical emergence of life. Detecting and characterizing planetary systems around young pre-main-sequence (PMS) stars is thus an unavoidable step in the search for potentially habitable exoplanets. However, monitoring the radial velocity (RV) of M dwarfs and PMS stars with high-precision spectrometers like HARPS is an arduous task given the intrinsic faintness of these stars at visible wavelengths. Moreover, both types of stars are also known to exhibit intense magnetic activity inducing RV signals that overshadow the planet signatures, making them extremely difficult to detect. The favored spectral range to detect planets around M dwarfs and low-mass PMS stars is the near-infrared (nIR), where both types of stars emit most of their light. Stellar activity RV signals are expected to be weaker in this domain than at visible wavelengths, making it easier to separate the planet RV signatures from stellar jitters. Moreover, the enhanced Zeeman signatures in the nIR boost the spectropolarimetric sensitivity to both large- and small-scale magnetic fields at the stellar surface, giving the opportunity to constrain the processes driving stellar activity in M dwarfs and low-mass PMS, and model the associated RV signals. Thanks to its high-precision velocimetric and spectropolarimetric capabilities in the nIR, SPIRou, at the Canada-France-Hawaii telescope, has the potential to revolutionize our knowledge of the planetary systems around nearby M dwarfs and low-mass PMS stars. In this thesis, we investigate how the capabilities of SPIRou can be used to characterize close-in planetary systems around M dwarfs and PMS stars, as well as investigate their surface magnetic fields and activity. Through realistic simulations of RV follow-ups of the ultracool dwarf TRAPPIST-1 and the PMS star K2-33, we assess the ability of SPIRou to recover the masses of transiting planets under different observational schemes and noise levels. This preliminary work was followed by actual spectropolarimetric observations of the PMS star AU Microscopii (AU Mic) with SPIRou. These observations enabled us to successfully measure the mass of the close-in transiting Neptune-sized planet AU Mic b, and to reconstruct the distributions of brightness and magnetic field at the surface of the star using Zeeman-Doppler imaging. This technique was also applied to ESPaDOnS/HARPS-Pol spectropolarimetric observations of a set of low-mass stars with various properties : V471 Tau (K2 dwarf), EPIC 211889233 (M0 dwarf) and Proxima Centauri (M5.5 dwarf), allowing us to explore the exotic dynamo processes underlying their activity phenomena. Finally, we developed a framework to probe the composition of the atmospheres of transiting planets using SPIRou spectroscopic capabilities. Applying this framework to spectroscopic observations of the transit of the well-known hot Jupiter HD 189733 b resulted in a fair detection of water in the planet atmosphere, confirming the ability of SPIRou to carry out transmission spectroscopy of hot transiting giants.
Les deux dernières décennies ont été marquées par la découverte d'environ 4300 exoplanètes réparties dans plus de 3000 systèmes planétaires. Cependant seule une poignée de planètes semblables à la Terre, en orbite dans la zone habitable (ZH) de leur étoile hôte, ont été détectées à ce jour, bon nombre d'entre elles étant trop éloigné pour la recherche de biomarqueurs dans leur atmosphère avec le JWST et les ELTs. Les naines M sont des cibles de choix dans la quête de vie extra-terrestre. Outre le fait qu'elles constituent la vaste majorité des étoiles du voisinage solaire, les naines M présentent à la fois des rayons plus petits et des ZH plus compactes que leurs homologues solaires, facilitant ainsi la recherche de jumelles terrestres dans leur voisinage. En parallèle, l'étude de la formation et de l'évolution des systèmes planétaires est essentielle pour comprendre comment la vie peut émerger dans un système semblable à la Terre. La détection de planètes autour des étoiles "pré-séquence principale" (PSP) constitue par conséquent un objectif indissociable de celui de la recherche des exoplanètes dans la ZH. Toutefois la mesure précise de la vitesse radiale (VR) des naines M et des étoiles PSP est ardue en raison de la faible luminosité de ces étoiles dans le domaine visible. De plus, ces deux types d'étoiles sont connus pour leur intense activité magnétique induisant des signaux en VR qui éclipsent les signatures des planètes, les rendant ainsi extrêmement difficiles à détecter. L'observation des naines M et des étoiles PSP de faible masse dans le proche infrarouge (nIR), où les deux types d'étoiles émettent la majeure partie de leur lumière, est essentielle pour détecter des systèmes planétaires en orbite autour d'elles. L'amplitude des signaux VR induits par l'activité stellaire est plus faible dans le nIR que dans le domaine visible, ce qui devrait faciliter la séparation des signatures VR planétaires de celles d'origine stellaire. De plus, l'intensification des signatures de Zeeman dans le proche infrarouge augmente la sensibilité spectropolarimétrique aux champs magnétiques de petite et grande échelle à la surface stellaire, permettant ainsi d'investiguer les processus régissant l'activité stellaire dans les naines M et les étoiles PSP de faibles masses, et de modéliser les signaux RV associés. Fort de ses capacités vélocimétriques et spectropolarimétriques dans le nIR, SPIRou a le potentiel de révolutionner notre connaissance des systèmes planétaires autour de ces deux types d'étoiles situées dans le voisinage solaire. Dans cette thèse, nous étudions comment les capacités de SPIRou peuvent être mises à profit pour caractériser les systèmes planétaires autour des naines M et des étoiles PSP, ainsi que pour étudier leurs champs magnétiques de surface et l'activité qu'ils induisent. Au moyen de simulations réalistes d'observations en VR, nous avons d'abord évalué la capacité de SPIRou à mesurer des masses planétaires en fonction de la stratégie d'observation et du niveau de bruit de mesure. Ce travail préliminaire nous a permis d'obtenir des observations spectropolarimétriques de l'étoile PSP AU Microscopii avec SPIRou, desquelles nous avons pu détecter la signature VR de la planète AU Mic b et reconstruire les distributions de brillance et de champ magnétique à la surface de l'étoile au moyen de l'imagerie Zeeman-Doppler. Cette technique a également été appliquée à des observations spectropolarimétriques d'un ensemble d'étoiles de faible masse aux propriétés diverses (V471 Tau, EPIC 211889233 et Proxima Centauri), permettant ainsi d'explorer les processus de dynamo sous-jacents à leurs phénomènes d'activité. Enfin, l'analyse d'observations spectroscopiques du transit du Jupiter chaud HD 189733 b avec SPIRou nous a permis d'obtenir une détection d'eau dans l'atmosphère de la planète, démontrant ainsi la capacité de l'instrument à effectuer de la spectroscopie de transmission de planètes géantes.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03466406 , version 1 (05-12-2021)
tel-03466406 , version 2 (07-12-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03466406 , version 2

Citer

Baptiste Klein. Characterize planetary systems of nearby active red dwarfs with SPIRou. Cosmology and Extra-Galactic Astrophysics [astro-ph.CO]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2020. English. ⟨NNT : 2020TOU30308⟩. ⟨tel-03466406v2⟩
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