Caractérisation de super-Terres tempérées autour d’étoiles de faible masse pour contraindre leur composition interne et atmosphérique

Abstract

Les exoplanètes sont omniprésentes dans la galaxie. Une découverte majeure dans ce domaine d'étude a été de révéler que les exoplanètes les plus communes ont une taille entre celle de la Terre et celle de Neptune, et sont couramment trouvées sur des orbites compactes de période de moins de 100 jours, ce qui diffère fortement de la configuration du Système solaire. Une séparation au rayon d'environ 1.7 rayon terrestre divise la population des exoplanètes en deux : les super-Terres rocheuses, qui sont essentiellement des versions agrandies de la Terre, et les sous-Neptunes, dont l'atmosphère épaisse riche en hydrogène rappelle Neptune. La composition exacte et les processus de formation et d'évolution des super-Terres et des sous-Neptunes sont aujourd'hui des énigmes sans réponse claire, en particulier pour les exoplanètes près de la transition rocheuse-gazeuse. Cette thèse se concentre sur la caractérisation de trois systèmes de super-Terres tempérées autour d’étoiles de faible masse : TOI-1452, LHS 1140 et L 98-59. Diverses techniques sont employées pour contraindre la composition interne et atmosphérique des super-Terres. On profite du transit de l'exoplanète devant son étoile pour mesurer son rayon ainsi que le niveau de transparence (composition chimique) des couches superficielles de son atmosphère. La spectroscopie Doppler est utilisée pour mesurer les oscillations de la vitesse radiale de l’étoile centrale causées par la présence d'un compagnon planétaire, ce qui permet de déterminer sa masse. Les naines M sont plus petites et moins massives que les étoiles de type solaire (F, G, ou K), ce qui est avantageux pour ces deux techniques et en font des cibles clés pour étudier en détail leur système planétaire. Depuis le début des opérations du télescope spatial James-Webb (JWST) en 2022, une nouvelle génération d'instruments est désormais disponible pour étudier les atmosphères d'exoplanètes à un niveau sans précédent. Les travaux présentés dans cette thèse sont basés sur des observations avec les télescopes spatiaux TESS, Spitzer, HST, et JWST et les spectrographes au sol optimisés pour la vitesse radiale de haute précision, SPIRou et ESPRESSO. Un premier résultat important est la découverte et la caractérisation d'une nouvelle super-Terre tempérée qui transite l'étoile TOI-1452 tous les 11.06 jours. Le rayon (1.67 ± 0.07 R🜨) et la masse (4.8 ± 1.3 M🜨) de TOI-1452 b, couplés à des modèles de structure interne, suggèrent une composition enrichie en éléments plus légers que la roche (e.g., H₂O). L'instellation faible et la gravité de surface relativement élevée de TOI-1452 b augmentent la probabilité de maintenir une atmosphère épaisse à long terme, ce qui en fait une cible de choix pour une caractérisation atmosphérique future avec le JWST. Ensuite, le système LHS 1140 comportant deux super-Terres, dont LHS 1140 b dans la zone habitable, a été revisité en analysant pour la première fois dans une même étude pratiquement toutes les observations d'archive en transit et en vitesse radiale. Cette réanalyse a permis d'améliorer significativement la précision sur le rayon et la masse des super-Terres, en plus de démontrer que LHS 1140 b est moins dense qu’initialement rapporté et pourrait être soit une mini-Neptune (~0.1% H/He par masse) ou une planète océanique (9-19% H₂O par masse) avec potentiellement de l'eau liquide à la surface. Pour départager ces scénarios, deux transits de LHS 1140 b ont été observés avec l'instrument NIRISS sur le JWST en décembre 2023 pour caractériser son atmosphère. Ces observations ont permis de formellement rejeter le scénario de mini-Neptune et sont compatibles à 2.3σ avec une atmosphère riche en N₂. Les résultats sur LHS 1140 b, si confirmés, constitueraient la toute première détection d’une atmosphère similaire à la Terre sur une exoplanète en orbite dans la zone habitable de son étoile. Enfin, cette thèse présente une réanalyse des observations d'archive en transit et en vitesse radiale de L 98-59, qui compte quatre exoplanètes connues, dont trois qui transitent l'étoile hôte. En plus d’affiner les mesures de masse et de rayon des exoplanètes, cette étude confirme une cinquième exoplanète (L 98-59 f, Mp sin i = 2.84 ± 0.30 M🜨) située dans la zone habitable. Les cinq exoplanètes dans une configuration orbitale compacte (P = 2.252, 3.691, 7.450, 12.805 et 23.05 jours) montrent des compositions diverses (terrestres et enrichies en eau), ce qui en fait un système unique pour étudier la formation et l'évolution de petites planètes dans un même environnement stellaire initial. Cette thèse s'inscrit dans un contexte de récentes découvertes individuelles pointant vers l'existence de super-Terres globalement rocheuses, mais dont la densité plus faible suggère une composition riche en eau (planètes océaniques). D'un point de vue de formation, ces résultats suggèrent qu'autour de naines M, des planètes peuvent se former loin de leur étoile hôte, là où l'eau en phase condensée est abondante pour l'accrétion, avant de migrer vers des orbites plus proches, correspondant à leur position actuelle. Exoplanets are ubiquitous in the galaxy. A major discovery in exoplanetary science was that the most common ones have a size between that of the Earth and Neptune and are frequently found on compact orbits with periods below 100 days, which starkly contrasts with the configuration of the Solar System. A clear separation at a radius of approximately 1.7 Earth radius divides this population into two groups: rocky super-Earths, which are essentially larger versions of Earth, and sub-Neptunes, with a thick hydrogen-rich atmosphere reminiscent of Neptune. The exact composition and the formation and evolution of super-Earths and sub-Neptunes remain an unresolved question, particularly for exoplanets near the rocky-gaseous transition. This thesis focuses on the characterization of three systems with temperate super-Earths around low-mass stars: TOI-1452, LHS 1140, and L 98-59. Various techniques are used to constrain the internal and atmospheric composition of the super-Earths. The transit of the exoplanet in front of its star is utilized to measure its radius and the transparency level (chemical composition) of the upper layers of its atmosphere. Doppler spectroscopy is used to measure the radial velocity oscillations of the host star caused by the presence of a planetary companion, which allows the determination of its mass. M dwarfs are smaller and less massive than Sun-like stars (F, G, or K types), which boosts the efficiency of these techniques and make them key targets for detailed studies of their planetary systems. Since the James Webb Space Telescope (JWST) began operations in 2022, a new generation of instruments has become available for studying exoplanet atmospheres at an unprecedented level. The work presented in this thesis is based on observations with the TESS, Spitzer, HST, and JWST space telescopes, as well as the ground-based high-precision radial velocity spectrographs SPIRou and ESPRESSO. An important first result is the discovery and characterization of a new temperate super-Earth that transits the star TOI-1452 every 11.06 days. The radius (1.67 ± 0.07 R🜨) and mass (4.8 ± 1.3 M🜨) of TOI-1452 b, coupled with interior structure models, suggests a bulk composition enriched in elements lighter than rock (e.g., H₂O). The low instellation and relatively high surface gravity of TOI-1452 b increase its long-term likelihood of retaining a thick atmosphere, making it a prime target for future atmospheric characterization with JWST. Next, the LHS 1140 system, containing two super-Earths, including LHS 1140 b in the habitable zone, was revisited by analyzing nearly all archival transit and radial velocity observationsfor the first time in a joint study. This reanalysis significantly improved the precision on the radius and mass of the super-Earths and showed that LHS 1140 b is less dense than initially reported. It could be either a mini-Neptune (~0.1% H/He by mass) or a water world (9-19% H₂O by mass) potentially with liquid water on its surface. To distinguish between these scenarios, two transits of LHS 1140 b were observed with the NIRISS instrument on JWST in December 2023 to characterize its atmosphere. These observations formally rejected the mini-Neptune scenario and are consistent at 2.3σ with a nitrogen-rich (N₂) atmosphere. If confirmed, the results on LHS 1140 b would be the first-ever detection of an Earth-like atmosphere on a Habitable Zone exoplanet. Finally, this thesis presents a reanalysis of archival transit and radial velocity observations of L 98-59, which has four known exoplanets, three of which transit the host star. In addition to refining the mass and radius measurements, this study confirms a fifth non-transiting exoplanet (L 98-59 f, Mp sin i = 2.84 ± 0.30 M🜨) located in the habitable zone. The five exoplanets in a compact orbital configuration (P = 2.252, 3.691, 7.450, 12.805 and 23.05 days) show diverse compositions (terrestrial and water-enriched), making them a unique system for studying the formation and evolution of small planets in the same initial stellar environment. This thesis is set in the context of recent individual discoveries pointing to the existence of largely rocky super-Earths, but with a lower density suggesting a water-rich composition (water worlds). From a formation perspective, these results suggests that around M dwarfs, planets can form far from their host star, where condensed water is abundant for accretion, before migrating to closer orbits corresponding to their current locations.