La grande diversité des mondes planétaires en dehors du Système Solaire est désormais établie depuis la découverte de la première exoplanète en 1995. Certaines de ces planètes extrasolaires ont la taille de Jupiter et orbitent à des distances très proches de leur étoile hôte, ce qui induit une importante photochimie au sein de leurs atmosphères et des températures allant jusqu’à 2000 K. Elles ont donc été baptisées Jupiters chauds.

Pour comprendre comment de telles planètes se sont formées et ont évoluées dans le temps, nous avons besoin de mieux connaître leurs caractéristiques physiques et chimiques. C’est l’un des principaux objectifs du JWST (James Webb Space Telescope), qui a déjà fourni la première preuve d’une photochimie active dans l’atmosphère d’un Jupiters chaud : WASP-39b. Ce sera aussi l’objectif de la mission ARIEL (Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large-survey) dont le lancement est prévu pour 2029. Les observations de ces télescopes peuvent être prédites et interprétées grâce à des modèles photo-thermochimiques qui calculent les profils d’abondance des espèces chimique de l’atmosphère. Or, certaines données utilisées dans ces modèles ne sont pas connues à hautes températures. C’est notamment le cas des sections efficaces d’absorption qui servent à quantifier la photochimie. La majeure partie de mon travail de thèse a donc été de développer une plateforme de spectroscopie dans le domaine VUV, afin de pouvoir mesurer des sections efficaces d’absorption à des températures allant jusqu’à 1200 K.

L’équipe « Exobiologie et Astrochimie » du LISA a déjà entrepris de pallier ce manque de données en effectuant des mesures à hautes températures lors de campagnes sur synchrotron entre 2010 et 2017 pour les molécules CO, CO₂, NH₃, HCN et C₂H₂. Des augmentations de plus de quatre ordres de grandeur sur les sections efficaces d’absorption de CO₂ entre 300 et 800 K ont ainsi pu être observées. Afin de poursuivre ce travail, j’ai développé une nouvelle plateforme spectroscopique VUV au LISA. Elle se compose principalement d’une lampe à deutérium, d’un monochromateur sous vide, d’une cellule en quartz insérée dans un four et d’un photomultiplicateur permettant de mesurer le signal de sortie. Après avoir réalisé plusieurs tests pour définir les conditions expérimentales optimales pour acquérir nos données, j’ai effectué des mesures de sections efficaces d’absorption de CO et de C₂H₂.

J’ai ainsi pu mesurer des premiers spectres d’absorption de CO pour des températures allant de 300 à 800 K. Les mesures effectuées au LISA, couplées à celles précédemment acquises au synchrotron SOLEIL, m’ont permis d’établir une liste de raies et de faire une étude sur la variation de l’intensité des bandes en fonction de la température de la transition A1Π-X1Σ+, pour 3 ≤ v’ ≤ 10 et v” = 0, 1. Ce travail m’a ensuite conduit à étudier le profil de température qui correspond à l’absorption du gaz au sein de la cellule.

J’ai également réalisé des mesures de sections efficaces d’absorption pour C₂H₂ entre 115 et 230 nm à des températures allant de 296 K à 773 K. J ’ai pu observer une augmentation des sections efficaces avec la température d’un facteur 20 pour les données à 773 K.

J’ai ensuite appliqué ces données à hautes températures dans le modèle cinétique 1D ATMO afin de voir l’impact de ces variations de sections efficaces sur la composition chimique du Neptune chaud GJ 436b. Les résultats montrent peu de différences sur les profils d’abondances mais des changements importants sur les taux de photodissociation. Pour voir davantage de variations, il serait indispensable de prendre en compte l’absorption des autres espèces présentes dans l’atmosphère et donc d’obtenir davantage de données expérimentales à hautes températures.

Grâce à la nouvelle plateforme spectroscopique, il sera désormais possible de mesurer des sections efficaces d’absorption à hautes températures pour d’autres molécules d’intérêt atmosphérique, tels de NH₃ ou HCN.

lieu
Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA-IPSL)
Campus centre de l’UPEC
61 avenue du Général de Gaulle
94010 Créteil
Salle des thèses (P2 – 019)

Visio
https://cnrs.zoom.us/j/92727997391?pwd=WlpwOHVXM2RlNjY1cDAyOFd0TTZlQT09

• Véronique  VUITTON, Directrice de recherche, Université Grenoble-Alpes, IPAG , Rapporteure
• Michel DOBRIJEVIC, Maître de conférences, Université de Bordeaux, LAB , Rapporteur
• Marie-Claire GAZEAU, Professeure, Université Paris-Est-Créteil, LISA ,  Examinatrice
• Eric HÉBRARD, Professeur associé, University of Exeter,  Examinateur
• Athena COUSTENIS, Directrice de recherche, Observatoire de Paris, LESIA, Examinatrice
• Yves BÉNILAN,  Professeur, Université Paris-Est-Créteil, LISA,  Directeur de thèse
• Olivia VENOT,  Chargée de recherche, CNRS, LISA,   Co-directrice de thèse
• Pascal TREMBLIN, Chargé de recherche, CEA, MDLSn  Co-directeur de thèse