Soutenance de thèse de GROUFFAL Salomé
Titre de thèse
Détection et caractérisation d'exoplanètes à longue période orbitale
Detection and characterisation of long orbital period exoplanets
Résumé de la thèse
Trente ans après la découverte de la première exoplanète autour d'une étoile de la séquence principale, plus de 5800 exoplanètes ont été confirmées. Ces découvertes, issues de différentes méthodes de détection, ont révélé une grande diversité de systèmes et transformé notre compréhension de la formation et de l'évolution planétaires. Les planètes en transit, en particulier, permettent de mesurer précisément le rayon, la masse et d'accéder à des observations atmosphériques via la spectroscopie de transmission. Les systèmes multi-planétaires sont désormais étudiés en détail, permettant la planétologie comparée à l'échelle des systèmes et entre les planètes. Cependant, aucun système analogue au Système solaire n'a encore été détecté, en raison des biais des principales méthodes de détection (transits et vitesses radiales) favorisant les planètes à courtes périodes. Pour comprendre l'unicité du Système solaire et de la Terre, il est nécessaire d'étudier des planètes à plus longues périodes, situées dans la zone habitable d'étoiles de type solaire. La mission spatiale PLATO (ESA) vise cet objectif. En parallèle, les instruments au sol améliorent leur précision pour caractériser ces planètes peu massives et éloignées. Ces efforts combinés ouvriront la voie à des comparaisons plus directes avec notre propre système planétaire.
Dans ce contexte, cette thèse aborde les défis de la détection et de la caractérisation des exoplanètes à longue période à travers l'étude complète d'un système multiplanétaire, en mobilisant différentes techniques d'observation.
La première partie est consacrée à la méthode des vitesses radiales. Une nouvelle approche est proposée pour corriger les variations instrumentales du spectrographe SOPHIE à partir de ses conditions environnementales, améliorant la sensibilité aux planètes de faible masse. Je présente également ma contribution au programme KOBE, qui cible les planètes dans la zone habitable de naines K avec le spectrographe CARMENES.
La seconde partie propose une étude détaillée du système planétaire autour de HIP41378, une étoile brillante de type F, qui abrite cinq planètes en transit avec des périodes orbitales allant jusqu'à 542 jours. Ce système est un excellent analogue pour les futures cibles de la mission PLATO. Je commence par déterminer les périodes orbitales des planètes n'ayant transité qu'une ou deux fois, puis je combine les données de transit, les vitesses radiales et l'analyse des variations des temps de transit pour contraindre les paramètres orbitaux et les masses des sept planètes du système. Une
attention particulière est portée à la planète f (542 jours), dont l'obliquité mesurée via l'effet Rossiter–McLaughlin révèle un désalignement. Sa faible densité, par ailleurs, remet en question les modèles standards de structure interne.
Enfin, je discute les enseignements tirés de cette étude pour guider les futures observations de la mission PLATO, ainsi que les stratégies de suivi au sol des planètes à longue période. Ce travail souligne l'importance de la complémentarité entre les méthodes de détection et les instruments dans l'étude approfondie de la diversité des systèmes exoplanétaires.
Thesis resume
Thirty years after the discovery of the first exoplanet around a main-sequence star, over 5800 exoplanets have been confirmed. These discoveries, made using a variety of techniques, have revealed a remarkable diversity of planetary systems and reshaped our understanding of planetary formation and evolution. Among them, transiting planets —those that pass in front of their host stars —offer unique opportunities to precisely measure both mass and radius, as well as probe their atmospheres via transmission spectroscopy. Increasingly detailed studies of multi-planet systems enable comparative planetology both across systems and within them. Despite these advances, no system resembling the Solar System has yet been detected. This is largely due to observational biases that favour short-period planets in current detection methods, such as radial velocity and transits. Addressing the question of the uniqueness of the Solar System, and the Earth in particular, requires detecting longer-period planets in the habitable zones of Sun-like stars. The PLATO mission (ESA) aims to achieve this goal. In the meantime, ground-based instruments are improving their precision to characterise low-mass, long-period planets. Together, these efforts will expand exoplanet characterisation and enable comparisons with Solar System planets.
In this context, this thesis addresses the challenges of detecting and characterising
long-period exoplanets through a comprehensive study of a multi-planet system using
different techniques.
The first part focuses on exoplanet detection with the radial velocity method. I present a new approach to correct instrumental variations in the SOPHIE spectrograph using pressure and temperature monitoring, which enhances sensitivity to low-mass planets. I also present my contribution to the KOBE survey, which targets habitable-zone planets around K-dwarf stars using the CARMENES spectrograph.
The second part of this thesis presents an in-depth characterisation of the HIP41378 system, a bright F-type star hosting five transiting planets with periods up to 542 days. This system is a perfect testbed for the targets of the upcoming PLATO mission. I derive orbital periods for planets observed with only one or two transits and combine transit, radial velocity, and transit timing variation analyses to constrain the masses of the system's seven low-mass planets. Particular attention is given to HIP 41378 f, a cold giant with a 542-day orbit. Through a multi-instrument campaign, I measure the projected obliquity of its orbit via the Rossiter-McLaughlin effect, revealing a significant spin-orbit misalignment. I also investigate the unexpectedly low density of this planet, which current models of planetary structure and formation cannot explain.
Finally, I discuss the implications of this case study for future observations with PLATO and for ground-based follow-up strategies targeting long-period planets. This work highlights the importance of combining detection methods and instrumentation in the ongoing effort to characterise the full diversity of planetary systems.