Thèse Systèmes Planétaires Autour d'Étoiles de Faible Masse la Vélocimétrie Infrarouge pour l'Exploration du Voisinage Solaire H/F - 31

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace
Laboratoire de recherche : IRAP - Institut de Recherche en Astrophysique et Planetologie
Direction de la thèse : Claire MOUTOU ORCID 0000000228423924
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

L'objectif est de détecter et caractériser les systèmes extrasolaires des étoiles naines rouges du voisinage solaire, grâce à l'analyse d'un sondage de vitesses radiales de haute précision et spectropolarimétrique obtenu avec deux spectropolarimètres au télescope Canada-France-Hawaii et au Pic du Midi, SPIRou et SPIP. Outre le suivi des observations, il s'agit d'analyser les séries temporelles, extraire les biais systématiques, effectuer des corrections du signal d'activité stellaire, détecter et modéliser les éventuels signaux planétaires inclus. Les observations étant effectuées en spectropolarimétrie, il est aussi proposé de caractériser le champ magnétique et l'activité stellaire, ainsi que leur impact sur le système. Le bilan de 7 ans d'observations permettra de dériver les caractéristiques des systèmes planétaires autour des étoiles les plus proches.

La recherche de systèmes planétaires hors du système solaire est un thème en fort développement depuis la découverte de 51 Peg b il y a 30 ans, qui a donné lieu à la remise du prix Nobel de physique à ses découvreurs Mayor et Queloz en 2019. Dans le sillon de cette découverte, les équipes de recherche se sont dotées d'instruments performants pour explorer les étoiles proches du Système Solaire, détecter leurs systèmes de planètes, et caractériser les conditions physiques de ces exoplanètes, en combinant les capacités d'observation depuis le sol et l'espace. Il y a aujourd'hui plus de 6000 exoplanètes identifiées, et la majorité d'entre elles ont été caractérisées soit par la technique spectroscopique des vitesses radiales (qui permet d'estimer la masse des exoplanètes), soit par la technique photométrique des transits (qui donne accès à leur rayon), soit par les deux en fournissant une mesure de leur densité globale.

Avancer dans la compréhension des données de vélocimétrie stellaire en infrarouge et dans la caractérisation des systèmes planétaires les plus proches de la Terre

Dans cette thèse, l'étudiant contribuera à l'exploitation des données d'un relevé de vitesses radiales d'étoiles de faible masse avec le vélocimètre / spectropolarimètre infrarouge SPIRou installé au CFHT (Hawaii, USA), afin de détecter et caractériser les systèmes planétaires voisins du Système Solaire. A ces données s'ajouteront celles bientôt obtenues avec l'instrument jumeau de SPIRou, SPIP, installé en 2026 au Télescope Bernard Lyot au Pic du Midi. La méthode des vitesses radiales est une méthode indirecte qui consiste à mettre en évidence la présence d'une planète par l'effet gravitationnel qu'elle induit sur l'étoile, et le décalage spectral périodique qui en résulte par effet Doppler, mesuré individuellement sur des milliers de raies (Artigau et al 2022).
SPIRou et SPIP sont des spectropolarimètres infrarouges, conçus et réalisés à l'IRAP (Donati et al 2020), et optimisés pour la recherche des exoplanètes par mesure des vitesses radiales de l'étoile hôte et la caractérisation du champ magnétique stellaire, principal responsable du bruit astrophysique limitant ces recherches. Opérant dans l'infrarouge proche (0.95-2.5µm), SPIRou et SPIP sont adaptés à ces mesures pour les étoiles de faible masse (naines rouges), qui rayonnent l'essentiel de leur lumière dans l'infrarouge proche et qui constituent par ailleurs l'essentiel de la population stellaire au voisinage du Soleil.
L'exploitation de plus de 500 nuits d'observation au CFHT avec SPIRou sur 7 ans constitue le sondage principal à la disposition de l'étudiant. Un des objectifs de ce sondage est l'exploration des systèmes planétaires d'environ 80 étoiles de faible masse, connues pour héberger un riche cortège de planètes et qui requièrent des séries temporelles massives et une très grande précision de mesure. De premières planètes ont été révélées par les analyses de ce sondage (Moutou et al 2024, Cortes-Zuleta et al 2025, Carmona et al 2025, Ould-Elhkim et al 2026). Une analyse raie-par-raie est nécessaire pour ces données, sur lesquelles des résidus de correction tellurique de quelques pourcents est une limitation. A ces spectres SPIRou s'ajoutent ponctuellement des observations complémentaires sur certains systèmes, comme des séries temporelles spectroscopiques dans d'autres longueurs d'onde obtenues depuis d'autres observatoires au sol (CARMENES, HARPS...).
A l'instar d'autres spectrographes, SPIRou et SPIP sont également pourvus d'un polarimètre, qui permet d'obtenir la mesure de la polarisation circulaire dans les raies stellaires par effet Zeeman, modulée par le cycle de rotation de l'étoile hôte du système. Par l'analyse des données spectropolarimétriques, il est possible de reconstruire la topologie du champ magnétique de surface des étoiles ainsi qu'une mesure fiable de la période de rotation. Les impacts du champ magnétique stellaire sur la caractérisation de la masse des planètes et de leurs conditions d'habitabilité peuvent être importants.