Cartographie moléculaire d'exoplanètes avec le télescope spatial James Webb

Abstract

Les atmosphères de Jupiter chaudes reçoivent des quantitées extrêmes de radiation de leur étoile hôte, ce qui nous permet d’étudier les processus chimiques et dynamiques d’atmosphères dans un régime d’énergie qui n’est pas accessible par l’étude du système solaire. La spectroscopie de transit et d’éclipse secondaire permet la caractérisation de ces atmosphères. Toutefois, ces méthodes ne considèrent pas la variation spatiale des abondances moléculaires, du profil de température et des nuages dans l’atmosphère. À l’aide de la méthode de cartographie par éclipse secondaire à plusieurs longueurs d’ondes, il est possible de mesurer la distribution spatiale des paramètres atmosphériques. À ce jour, cette méthode n’a été appliquée qu’à la Jupiter chaude HD 189733 b à partir d’observations photométriques du télescope spatial Spitzer à 8 μm. Avec le lancement prochain du JWST, des observations à haute précision spectrophotométrique sont attendues, ce qui renforce le besoin pour une méthode permettant la simulation et l’analyse statistique d’observations d’éclipse secondaire à plusieurs longueurs d’ondes. Nous présentons une nouvelle méthode afin de simuler des courbes de lumière à plusieurs longueurs d’ondes, ainsi qu’une méthode statistique pour déterminer la distribution atmosphérique à partir d’observations. La simulation des courbes de lumière à plusieurs longueurs d’ondes est discrétisée pour permettre le calcul rapide des modèles nécessaire à l’analyse statistique d’observations. Nous appliquons cette méthode à des observations simulées de JWST NIRSpec pour la planète WASP-33 b à diverses distributions spatiales de coefficient de dissociation de l’eau. Nos résultats indiquent que 5 observations d’éclipse secondaire sont suffisantes pour mesurer la distribution spatiale du coefficient de dissociation de l’eau en longitude et latitude. L’application de la méthode de cartographie par éclipse secondaire à plusieurs longueurs d’ondes va permettre d’appronfondir d’avantage notre connaissance des processus dynamiques des atmosphères de Jupiter chaudes.

Hot Jupiter atmospheres, receiving extreme amounts of irradiation from their host star, enable us to study the atmospheric chemistry and dynamics of atmospheres at regimes that would otherwise be inaccessible from solar system observations. Transmission and emission spectroscopy of these atmospheres enables their characterization. However, these methods do not consider the spatial distribution of the molecular abundances, temperature profile, and clouds. Using multi-wavelength secondary eclipse mapping, it is possible to measure the spatial distribution of the atmospheric parameters. Secondary eclipse mapping has only been applied for photometric Spitzer/IRAC 8 μm observations of HD 189733 b so far. With the imminent launch of JWST, high-precision spectrophotometric observations of hot Jupiters are expected, reinforcing the need for a framework that can simulate and retrieve secondary eclipse mapping observations. We present a novel method to simulate secondary eclipse light curves for non-uniform atmospheres at multiple wavelengths, as well as a statistical method to retrieve the distribution from observations. The simulation of the multi-wavelength light curves is discretized to enable the fast computation necessary for statistical analysis of observations. We apply these methods to simulated JWST NIRSpec observations of WASP-33 b for various distributions of the water dissociation coefficient and conclude that 5 secondary eclipse observations are sufficient to constrain significant spatial variations in longitude and latitude. The application of the multi-wavelength secondary eclipse mapping to JWST will further deepen our understanding of the atmospheric dynamics processes to which hot Jupiter atmospheres are subjected.