Exoplanetes : l'apport des courbes de phase observées avec le JWST // Exoplanets: phase curves observed by JWST

Le télescope spatial James Webb (JWST), lancé par la NASA le 25 décembre 2021, révolutionne notre compréhension du cosmos, en particulier dans le domaine des exoplanètes. Avec plus de 6 000 exoplanètes détectées, on découvre des mondes très variés, dont certains sans équivalent dans notre Système solaire, comme les « hot Jupiters » ou les « super-Terres ». JWST permet désormais la caractérisation détaillée des atmosphères exoplanétaires grâce à ses instruments spectroscopiques couvrant de 0,6 à 27 µm et sa grande surface collectrice de lumière (25 m²). Cette capacité permet de déterminer la composition moléculaire, la présence de nuages ou d’aérosols, le profil pression–température et les processus physiques et chimiques à l'œuvre dans ces atmosphères.

La méthode principale utilisée est celle dite des transits, observant les variations de luminosité lors du passage de la planète devant son étoile ou derrière elle (éclipse secondaire). Néanmoins, l’observation sur toute la période orbitale (phase curve)—qui contient aussi un transit et deux éclipses—fournit encore plus d’informations. Avec les courbes de phase, le budget énergétique, la structure longitudinale, et la circulation atmosphérique peuvent être directement observés. JWST a déjà obtenu des données en courbes de phase d’une qualité exceptionnelle. Beaucoup de ces ensembles de données sont désormais accessibles au public et contiennent une mine d’informations, mais ils ne sont que partiellement exploités. La durée de ces observations, la finesse des signaux très faibles (quelques dizaines de ppm), et la présence d’effets instrumentaux plus subtiles rendent l’exploitation de ces données plus complexe.

La thèse proposée se concentrera d’abord sur l’étude et la correction de ces effets instrumentaux, puis sur l’extraction des propriétés atmosphériques avec le logiciel TauREx (https://taurex.space/), sous la co-supervision de Quentin Changeat (Université de Groningen) et Pierre-Olivier Langage (CEA Paris-Saclay). Cette thèse participera à la préparation de l’exploitation scientifique de la mission ESA Ariel (lancement prévu en 2031), entièrement dédiée à l’étude des atmosphères exoplanétaires et qui pourrait observer près de 50 courbes de phase.

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The James Webb Space Telescope (JWST), launched by NASA on December 25, 2021, is revolutionizing our understanding of the cosmos, particularly in the field of exoplanets. With more than 6,000 exoplanets detected, a great variety of worlds have been discovered, some with no equivalent in our Solar System, such as « hot Jupiters » or « super-Earths ». JWST now enables detailed characterization of exoplanetary atmospheres thanks to its spectroscopic instruments covering wavelengths from 0.6 to 27 µm and its large light-collecting area (25 m²). This capability allows determination of molecular composition, the presence of clouds or aerosols, the pressure–temperature profile, and the physical and chemical processes at work in these atmospheres.

The main method used is the so-called transit method, which observes variations in brightness when a planet passes in front of or behind its star (secondary eclipse). Nevertheless, observations over the entire orbital period (phase curve)—which also includes a transit and two eclipses—provide even more information. With phase curves, the energy budget, longitudinal structure, and atmospheric circulation can be directly observed. JWST has already obtained phase-curve data of exceptional quality. Many of these datasets are now publicly available and contain a wealth of information, though they are only partially exploited. The length of these observations, the extremely faint signals (a few tens of ppm), and the presence of subtler instrumental effects make the analysis of these data more complex.

The proposed PhD will first focus on studying and correcting these instrumental effects, then on extracting atmospheric properties using the TauREx software (https://taurex.space/), under the co-supervision of Quentin Changeat (University of Groningen) and Pierre-Olivier Langage (CEA Paris-Saclay). This PhD will contribute to preparing the scientific exploitation of the ESA Ariel mission (launch planned for 2031), entirely dedicated to the study of exoplanetary atmospheres and expected to observe nearly 50 phase-curves.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Direction d’Astrophysique
Laboratoire : Laboratoire de dynamique des étoiles des (Exo) planètes et de leur environnement
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Science de la Terre et de l’Environnement et Physique de l’Univers Paris (STEPUP)
Directeur de thèse : LAGAGE Pierre-Olivier
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFU

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Direction d’Astrophysique

master en Physique, Astrophysique, traitement du signal