Français

Durant ces dernières décennies, la caractérisation des atmosphères d’exoplanètes a été l’un des défis majeurs de la recherche en astrophysique. L’abondance de ces objets (5765 détections confirmées au 10/03/2024) interroge sur leur profil et leur répartition dans l’univers. L’étude de leur population a révélé qu’une grande partie d’entre elles sont des planètes gazeuses orbitant proche de leur étoile, et donc soumises à un flux stellaire intense. Ces planètes, sans équivalent dans notre système solaire, baptisées Jupiters et Neptunes Chauds, soulèvent beaucoup de questions, notamment sur leur mécanisme de formation. La connaissance de la composition chimique de leur atmosphère se révèle alors être la clé pour obtenir des indices sur leur histoire. Leur observation avec les télescopes spatiaux Spitzer, Hubble (HST), puis James Webb (JWST) a révélé des molécules telles que H₂O, CO, CH₄, NH₃, CO₂, et plus récemment SO₂. Cette dernière, produite par une succession de réactions radicalaires initiées par les photodissociations liées au rayonnement ultraviolet de l’étoile, est le premier composé soufré à avoir été détecté sur une exoplanète. Cette forme du soufre, thermodynamiquement défavorisée par rapport à H₂S, a révélé le rôle clé de la modélisation pour son identification. En effet, la compréhension de ces atmosphères nécessite l’utilisation de modèles cinétiques pour décrire les réactions radicalaires, qui restent encore mal connues pour les systèmes hétéroatomiques. La fiabilité de ces modèles est cruciale pour l’étude des exoplanètes, mais celle-ci reste encore aujourd’hui peu contrainte.

Ce travail de thèse consiste donc à développer un modèle cinétique basé sur une validation systématique entre modélisation et données expérimentales afin de résoudre ce problème. En effet, la similarité entre les conditions rencontrées dans les atmosphères d’exoplanètes chaudes et celles en combustion permet de se baser sur les études existantes dans ce domaine pour une application aux atmosphères d’exoplanètes. Dans ce travail, des expériences de combustion sont mises à profit pour développer des réseaux cinétiques robustes et validés sur une large gamme de températures (800 – 2400 K) et de pressions (0.2 – 50 bar). Une approche théorique basée sur la chimie quantique, la thermodynamique statistique et les théories des vitesses de réaction est aussi utilisée, afin d’améliorer la modélisation de la chimie des molécules soufrées. Les réactions pertinentes sont explorées par la détermination des surfaces d’énergie potentielle, et la dépendance en température et pression des constantes de vitesse est calculée en résolvant l’équation maîtresse. Deux réseaux cinétiques ont été développés : le premier pour la chimie des espèces C/H/O/N, et le second pour les espèces C/H/O/N/S, construit par l’ajout de la chimie du soufre et de son couplage aux espèces C/H/O/N. Ces réseaux sont validés sur des données expérimentales de combustion de gaz purs (CH₄, NH₃, H₂S, CH₃SH, OCS, CS₂…) et de leurs mélanges. Ces deux réseaux sont ensuite utilisés pour modéliser l’atmosphère de plusieurs Neptunes Chauds (GJ 436 b, GJ 1214 b, WASP-107 b) et Jupiters Chauds (HD 189733 b, HD 209458 b, WASP-39 b) avec le code de cinétique chimique à une dimension FRECKLL. Les processus de chimie hors équilibre induits par le mélange vertical et les photodissociations sont également analysés et leur impact sur le spectre infrarouge en transmission est quantifié.

Ce travail constitue le premier réseau soufré validé sur des données expérimentales pour l’étude des atmosphères d’exoplanètes. L’étude approfondie du couplage C/S révèle une contribution importante à la chimie d’espèces majeures comme CH₄. La fiabilité apportée par la validation méthodique de ces réseaux cinétiques se révèle cruciale pour l’interprétation des données du JWST et la préparation des observations du futur télescope spatial Ariel (Atmospheric Remote-Sensing Infrared Exoplanet Large Survey).

English

Characterizing the atmospheres of exoplanets has been one of the major challenges of astrophysical research in recent decades. The abundance of these objects (5765 confirmed detections as of 03/10/2024) raises questions about their profile and distribution in the universe. The study of their population has revealed that a large proportion of them are gaseous planets orbiting close to their star, and therefore subject to intense stellar flux. These planets, which have no equivalent in our solar system, have been named Hot Jupiters and Warm Neptunes. Their presence raise many questions, including about their formation mechanism. Knowledge of the chemical composition of their atmospheres turns out to be the key to obtaining clues about their history. Their observation with the Spitzer, Hubble (HST) and then James Webb (JWST) space telescopes has revealed molecules such as H₂O, CO, CH₄, NH₃, CO₂, and more recently SO₂. The latter, produced by a succession of radical reactions initiated by photodissociations linked to the star’s ultraviolet radiation, is the first sulfur compound to have been detected in an exoplanet.

This form of sulfur, which is thermodynamically unfavorable compared to H₂S, revealed the key role of modeling in its identification. Indeed, understanding these atmospheres requires the use of kinetic models to describe radical reactions, which are still poorly understood for heteroatomic systems. The reliability of these models is crucial for the study of exoplanets, but to this day they are not very well constrained.

The aim of this thesis is to develop a kinetic model based on systematic validation between modeling and experimental data, in order to solve this problem. Indeed, the similarity between the conditions encountered in the atmospheres of hot exoplanets and those in combustion makes it possible to use existing studies in this field for application to exoplanet atmospheres. In this work, combustion experiments from the literature are used to develop robust and validated kinetic networks over a wide range of temperatures (800 – 2400 K) and pressures (0.2 – 50 bar). A theoretical approach based on quantum chemistry, statistical thermodynamics and reaction rate theories is also used, to improve the modeling of sulfur-based chemistry. Relevant reactions are explored by determining their potential energy surfaces, and the temperature and pressure dependence of rate constants is computed by solving the master equation. Two kinetic networks have been developed: the first one for the chemistry of C/H/O/N species, and the second one for C/H/O/N/S species, built by adding sulfur chemistry and its coupling to C/H/O/N species. These networks are validated on experimental combustion data for pure gases (CH₄, NH₃, H₂S, CH₃SH, OCS, CS₂…) and their mixtures. These two networks are then used to model the atmosphere of several Warm Neptunes (GJ 436 b, GJ 1214 b, WASP-107 b) and Hot Jupiters (HD 189733 b, HD 209458 b, WASP-39 b) with the one-dimensional chemical kinetics code FRECKLL. Disequilibrium chemistry processes induced by vertical mixing and photodissociations are also analyzed, and their impact on the infrared transmission spectrum is quantified.

This work constitutes the first sulfur network validated on experimental data for the study of exoplanet atmospheres. The in-depth study of C/S coupling reveals an important contribution to the chemistry of major species such as CH₄. The reliability provided by the extensive validation of these kinetic networks is crucial for the interpretation of JWST data and the preparation of observations by the future Ariel (AtmosphericRemote-Sensing Infrared Exoplanet Large Survey) space telescope.

Lieu
LISA, P1N3, salle troposphère

Visio
https://cnrs.zoom.us/j/94906988323?pwd=aaiX2n0ZEflsH2J7xPmMq861L6b7iu.1

• Franck Selsis, Rapporteur
• Zeynep Serinyel, Rapportrice
• Nicolas Fray, Examinateur
• Eric Hébrard, Examinateur
• Olivia Venot, directrice de thèse
• Baptiste Sirjean, codirecteur de thèse