mardi 10 septembre 2024
La soutenance de thèse de Lucas Teinturier aura lieu le vendredi 27 septembre 2024 à 14h00 dans la salle de conférence du Château sur le site de Meudon.
Elle sera diffusée en direct sur la chaîne Youtube du LESIA :
« Caractérisation et modélisation 3D de l’atmosphère d’exoplanètes et de naines brunes, par courbe de phases »
La thèse a été encadrée par Benjamin Charnay (LESIA), Aymeric Spiga (LMD) et Bruno Bézard (LESIA).
L’étude des atmosphères d’exoplanètes et de naines brunes est en plein essor depuis la découverte de ces objets fascinants. Au cours des trente dernières années, notre compréhension de ces mondes a considérablement progressé, bien que d’importantes questions restent sans réponse. Les exoplanètes géantes chaudes, appelées Jupiters Chauds, sont un exemple de la diversité et de l’exotisme de ces mondes. Verrouillées gravitationnellement à une courte distance de leur étoile, ces planètes de taille jovienne reçoivent un flux stellaire conséquent et inhomogène, entraînant une circulation atmosphérique vigoureuse. La composition chimique et l’existence de nuages et de brumes dans ces atmosphères sont encore largement incomprises et les observations par des télescopes au sol et spatiaux restent relativement ardus à interpréter.
Les Naines Brunes, objets sous-stellaires qui comblent le fossé entre étoiles et planètes géantes, sont des cibles observationnelles de choix et servent d’analogues des exoplanètes géantes. Les observations d’une large population de ces objets révèlent l’existence d’une forte circulation atmosphérique, de variabilité temporelle, spatiale et spectrale et de changements drastiques de couleurs d’un objet à l’autre. L’origine de cette circulation atmosphérique et les mécanismes qui la maintiennent restent mal connus à ce jour. Des nuages sont probablement présents dans ces atmosphères, mais leur composition, mécanisme de formation et de disparition, ainsi que leurs effets sur la structure thermique et dynamique de l’atmosphère et sur leurs propriétés observables restent peu élucidés.
Ces objets étant intrinsèquement tridimensionnels, l’utilisation d’un Modèle de Circulation Global (GCM) est nécessaire pour lever le voile sur les phénomènes atmosphériques à l’œuvre dans ces mondes, ainsi que pour expliquer des observations passées et prédire de futures observations, notamment avec le télescope JWST lancé en décembre 2021. Dans cette thèse, le generic Planetary Climate Model (PCM) est utilisé. Ce modèle GCM générique est adaptable à tout type de climatologie, des planètes rocheuses aux géantes gazeuses du Système Solaire et aux exoplanètes de type Neptunienne. L’objectif de cette thèse est d’adapter ce modèle aux cas des Jupiters Chauds et des Naines Brunes. En particulier, cette thèse se concentre sur l’impact des nuages dans ces atmosphères chaudes, par la mise en place d’un module générique de nuages, prenant en compte leur formation, évaporation, transport et effets radiatifs.
La première partie de cette thèse s’intéresse à l’adaptation du generic PCM au cas de Jupiters Chauds, avec une étude détaillée d’un cas iconique, WASP-43 b, et de son atmosphère nuageuse. Plusieurs cas d’applications de ce modèle à l’interprétation et la préparation d’observations de différents télescopes et de différentes exoplanètes sont discutés. La seconde partie de cette thèse s’intéresse à des Jupiters Chauds dont l’orbite présente une excentricité non nulle. Les conséquences de la variation des paramètres orbitaux sur la structure dynamique et thermique de ces objets sont étudiées, ainsi que le comportement des nuages dans ces atmosphères. Finalement, la troisième partie de cette thèse porte sur l’étude de la circulation atmosphérique induite par les effets radiatifs des nuages dans les atmosphères de Naines Brunes. En particulier, cette étude se concentre sur la transition L/T, une transition nette des propriétés observationnelles de ces objets encore mal comprise, et propose un mécanisme physique pour expliquer ces observations. Des pistes de développements scientifiques sont finalement proposées, tant d’un point de vue de développements du generic PCM que d’un point de vue synergique entre modèles, et entre modèles et observations.
The study of the atmospheres of exoplanets and brown dwarfs has been booming since the discovery of these fascinating objects. Over the last thirty years, our understanding of these worlds has progressed considerably, although important questions remain unanswered. Hot giant exoplanets, known as Hot Jupiters, are an example of the diversity and exoticism of these worlds. Tidally locked at a short distance from their star, these Jovian-sized planets receive a substantial and inhomogeneous stellar flux, resulting in a vigorous atmospheric circulation. The chemical composition and the existence of clouds and haze in these atmospheres are still largely misunderstood, and observations by ground-based and space-based telescopes remain relatively difficult to interpret.
Brown Dwarfs, i.e. sub-stellar objects that bridge the gap between stars and giant planets, are prime observational targets and serve as analogues of giant exoplanets. Observations of a large population of these objects reveal the existence of strong atmospheric circulation, temporal, spatial and spectral variability and drastic colour changes from one object to another. The origin of this atmospheric circulation and the mechanisms that maintain it remain poorly understood to date. Clouds are probably present in these atmospheres, but their composition, mechanisms of formation and disappearance, as well as their effects on the thermal and dynamical structure of the atmosphere and on their observable properties remain poorly understood.
As these objects are intrinsically three-dimensional, the use of a Global Circulation Model (GCM) is necessary to shed light on the atmospheric phenomena at work on these worlds, as well as to explain past observations and predict future observations, particularly with the JWST telescope launched in December 2021. This thesis uses the generic Planetary Climate Model (PCM). This generic GCM model is adaptable to all types of climatology, from rocky planets to the gas giants of the Solar System and Neptunian-type exoplanets. The aim of this thesis is to adapt this model to the cases of Hot Jupiters and Brown Dwarfs. In particular, this thesis focuses on the impact of clouds in these hot atmospheres, by implementing a generic cloud module, taking into account their formation, evaporation, transport and radiative effects.
The first part of this thesis focuses on the adaptation of the generic PCM to the case of Hot Jupiter, with a detailed study of an iconic case, WASP-43 b, and its cloudy atmosphere. Several applications of this model to the interpretation and preparation of observations from different telescopes and different exoplanets are discussed. The second part of this thesis focuses on Hot Jupiters with non-zero orbit eccentricity. The consequences of the variation of orbital parameters on the dynamical and thermal structure of these objects are studied, as well as the behaviour of clouds in these atmospheres. Finally, the third part of this thesis deals with the study of the atmospheric circulation induced by the radiative effects of clouds in Brown Dwarfs atmospheres. In particular, this study focuses on the L/T transition, a sharp transition in the observational properties of these objects that is still poorly understood, and proposes a physical mechanism to explain these observations. Finally, a number of avenues for scientific development are proposed, both from the point of view of developing the generic PCM and from the point of view of synergy between models, and between models and observations.
