Caractériser les systèmes planétaires d’étoiles actives de faibles masse avec SPIRou

Soutenance de thèse de Baptiste Klein

Résumé de la thèse :

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 d’origine 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.

Composition du jury de thèse :