Atmospheric Escape in Exoplanets: a Journey From Gas Giants to Earth Twins

Diplôme Thèse Atmospheric Escape in Exoplanets: a Journey From Gas Giants to Earth Twins eng 2021-09-10 2021-09-14 author Dos Santos Leonardo 882643 director Ehrenreich David 789146 director Bourrier Vincent 828250 10.13097/archive-ouverte/unige:155240 urn:nbn:ch:unige-1552401 Sc. 5590 Most planets are surrounded by a layer of material in gas phase with varying levels of physical and chemical properties. The planetary upper atmosphere invariably extend to space with decreasing levels of density and increasing gas particle velocities the higher we are in altitude. Some of these particles are so fast that they can unbind from the gravitational pull of the planet, and eventually escape it. Although seemingly mundane in our lives, this process of evaporation is precisely what transformed Mars from a world covered by rivers and oceans into a desolate, uninhabitable planet. More than 4,000 exoplanets have been discovered to date, and most of them orbit closer to their host star than Mercury orbits the Sun. Their extreme environments drive atmospheric escape rates high enough to strip them of a large fraction of their primordial envelopes, and we have the tools to observe this process happening. In this manuscript, I will describe in detail the state-of-the-art hypothesis and theories to explain atmospheric escape in exoplanets, as well as the leading-edge techniques to observe it. We shall embark on a journey from gas giants to Earth twins, in which we search for the faintest signatures of their evolution imprinted in their thin, upper atmospheres. To this end, we employ transmission spectroscopy, a technique that consists in measuring the light of their host stars filtered through the thin gaseous limbs of a transiting exoplanet, and inferring the properties of their atmospheres. Our observations are carried out in ultraviolet wavelengths using the Hubble Space Telescope and in infrared using ground-based telescopes. Leveraging what we learned in this journey, we shall also explore the possibility of probing the presence of water and habitability of Earth-like exoplanets using the future LUVOIR mission. La plupart des planètes sont entourées d'une couche de matière en phase gazeuse présentant une myriade de propriétés physiques et chimiques différentes : l'atmosphère. La haute atmo- sphère planétaire s'étend invariablement vers l'espace, sa densité décroissants et la vitesse de ses particules gazeuses crossant au fur et à mesure que l'on s'élève en altitude. Certaines de ces particules sont si rapides qu'elles peuvent se libérer de l'attraction gravitationnelle de la planète, et à terme s'évader. Même si cela pourrait nous paraître quelque peu prosaïque, ce processus d'évaporation est précisément ce qui a transformé Mars d'un monde couvert de rivières et d'océans en une planète désolée et inhabitable. Plus de 4 000 exoplanètes ont été découvertes à ce jour, et la plupart d'entre elles orbitent plus près de leur étoile hôte que Mercure ne tourne autour du Soleil. Leurs environnements extrêmes entraînent des taux d'échappement atmosphérique suffisamment élevés pour les dépouiller d'une grande partie de leurs enveloppes primordiales, et nous disposons des outils nécessaires pour observer ce mécanisme. Dans ce manuscrit, je décrirai en détail les hypothèses et les théories les plus récentes pour expliquer l'échappement atmosphérique des exoplanètes, ainsi que les techniques de pointe pour l'observer. Nous embarquerons dans un voyage, des géantes gazeuses aux jumelles de la Terre, au cours duquel nous partirons à la recherche des plus faibles signatures de leur évolution au sein de leurs minces hautes atmosphères. À cette fin, nous employons la spectroscopie de transmission, une technique qui consiste à mesurer la lumière de leurs étoiles hôtes filtrée à travers les fines couches gazeuses des exoplanètes en transit, pour en déduire les propriétés de leurs atmosphères. Nos observations sont réalisées dans les longueurs d'onde ultraviolettes en utilisant le Hubble Space Telescope, ainsi que dans l'infrarouge en utilisant des télescopes au sol. Tirant parti de ce que nous avons appris au cours de ce voyage, nous explorerons également la possibilité de sonder la présence d'eau et étudier l'habitabilité d'exoplanètes semblables à la Terre en utilisant la future mission LUVOIR. Astronomy Astrophysics Exoplanets Atmosphere Dewey 520 European Commission Future of upper atmospheric characterisation of exoplanets with spectroscopy 724427 FOUR ACES EU H2020 26 Département d'astronomie 12 false 4ace40ef-57fa-4503-bbdc-290fa5c93910 Thesis Public thesis.pdf 16797704 application/pdf CC BY-NC-ND-4.0 openAccess Faculté des sciences / Département d'astronomie

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Dos Santos, Leonardo