Facult´edes Sciences D´epartement d'Astrophysique, G´eophysique et Oc´eanographie Caract´erisationde disques de poussi`ere exozodiacale par interf´erom´etrie stellaire en infrarouge proche et moyen THESE` pr´esent´eepour l'obtention du dipl^omede Docteur en Sciences par Lindsay Marion Soutenue publiquement le 4 octobre 2017 devant le Jury compos´ede : Pr´esident: Pr. Serge Habraken Directeur de th`ese: Dr. Olivier Absil Examinateurs : Dr. Jean-Philippe Berger Dr. Denis Defrere` Pr. Lucas Labadie Pr. J´er^ome Loicq Dr. Bertrand Mennesson Pr. Jean Surdej Space sciences, Technologies and Astrophysics Research Institute Mis en page avec la classe thloria. i Remerciements Je voudrais en tout premier lieu remercier mon promoteur, Olivier Absil pour m’avoir soutenue dans ce projet et avoir suscité mon intérêt pour l’interférométrie durant mon travail de fin d’études de Master. Je souhaiterais également le remercier pour m’avoir rassurée et conseillée lors de mes moments de doute et pour m’avoir fourni les pistes de réflexion adéquates à chaque fois que je pensais ne jamais y arriver. Je souhaiterais également remercier Jean Surdej pour son encadrement indirect, les échanges fructueux que j’ai pu avoir avec lui et ses conseils avisés. Je voudrais également remercier Denis Defrère pour son aide et son accueil lors de mon séjour en Arizona, puis pour ses conseils une fois de retour en Belgique et pour la relecture partielle de ce manuscrit. Je remercie également Jean-Charles Augereau pour son accueil lors de mon séjour à Gre- noble ainsi que pour les nombreux échanges qui en ont découlés et m’ont permis d’ap- prendre à maitriser le package IDL GRaTeR sans quoi une partie de ce travail n’aurait pu être réalisé. Je tiens à remercier Emmanuel Di Folco pour son accueil lors de mon séjour à Bordeaux et pour ses nombreux conseils dans la réduction de données MIDI que je n’avais encore jamais prise en main. Je voudrais aussi remercier l’ensemble de mon comité de thèse, Serge Habraken, Jérôme Loicq, Lucas Labadie, Bertrand Mennesson et encore une fois, Denis Defrère, Jean Surdej et Olivier Absil pour accepter de lire et évaluer ce manuscrit. Je tiens tout particulièrement à remercier ma famille, mes parents, Nathalie et Claude, ainsi que mon frère, Jesse, pour leur soutien moral non seulement durant cette thèse mais aussi depuis le début de mes études. Si j’ai pu parvenir à terminer ce manuscrit, c’est grâce à eux, et à leur soutien depuis que j’ai entrepris cette folle aventure qu’est l’université. Je souhaiterais également remercier mon compagnon, Gauthier, pour avoir supporté mes sauts d’humeur au cours de ces derniers mois et les avoir subis sans broncher. Enfin, je souhaiterais remercier mes collègues, en particulier Olivier Absil, Olivier Wertz, Ludovic Delchambre, et Denis Defrère pour m’avoir trainé en dehors du bureau lors des temps de midi...Finalement, le whist me manquera ! Ce doctorat a été financé par une bourse du Fond National pour la Recherche Scientifique (boursière FRIA). ii Table des matières Table des figures vii Liste des tableaux xi Notations and acronymes xiii Prologue 1 Introduction7 1 Les disques de débris9 1.1 Le système solaire................................9 1.1.1 La formation du système solaire....................9 1.1.2 Le système solaire actuel........................ 14 1.2 Les disques de débris.............................. 19 1.2.1 Les disques froids............................ 19 1.2.2 Les disques chauds : la poussière exozodiacale............ 22 2 L’interférométrie stellaire 25 2.1 Introduction : l’expérience des fentes de Young................ 25 2.2 Interférences entre deux ondes......................... 27 2.2.1 Les ondes électromagnétiques..................... 27 2.2.2 Degré complexe de cohérence mutuelle................ 29 2.2.3 Le théorème de Van-Cittert Zernike.................. 32 2.3 L’interférométrie stellaire............................ 36 2.3.1 Visibilité d’une source circulaire.................... 37 2.3.2 La clôture de phase........................... 39 2.4 L’interférométrie de nulling.......................... 40 2.4.1 Cas d’une source étendue........................ 42 iv Table des matières 3 La détection d’exozodis par interférométrie 45 3.1 Observations, détections et analyse statistique................ 45 3.2 Modélisation des exozodis........................... 48 3.3 Scenarii de création de la poussière exozodiacale............... 51 3.3.1 Approvisionnement du disque en poussière.............. 51 3.3.2 Piégeage de la poussière à proximité de l’étoile............ 55 4 Objectifs et motivations de ce travail 61 Interférométrie en infrarouge proche 63 5 Recherche d’exozodis chauds et de compagnons avec PIONIER 65 5.1 Le programme d’observation exozodi..................... 65 5.2 Article : Searching for faint companions with VLTI/ PIONIER. II. 92 main sequence stars from the Exozodi survey .................... 70 6 Étude de la connexion entre la présence de poussière tiède et chaude 83 6.1 Article : A near-infrared interferometric survey of debris-disk stars. VII. The hot/warm dust connection ........................ 83 Interférométrie en infrarouge moyen 107 7 Mesure de la fréquence des disques tièdes avec le LBTI 109 7.1 Le Large Binocular Telescope Interferometer................. 110 7.1.1 Description du télescope........................ 110 7.1.2 Description de l’instrument...................... 110 7.1.3 Principe de recombinaison pour la détection d’exozodis....... 112 7.2 Le programme d’observation HOSTS..................... 112 7.3 Réduction des données et améliorations.................... 115 7.3.1 Obtention et calibration des données................. 115 7.3.2 La méthode classique de réduction des données........... 116 7.3.3 La méthode statistique de réduction des données........... 119 7.4 Premiers résultats................................ 122 8 Caractérisation du disque autour de β Pic avec VLTI/MIDI 125 8.1 Une vue multi-spectrale du disque de débris de β Pic............ 126 8.1.1 Le disque externe de β Pic....................... 126 8.1.2 Le disque interne de β Pic....................... 127 v 8.2 Description des observations MIDI...................... 128 8.2.1 L’instrument MIDI........................... 130 8.2.2 Description des données obtenues sur β Pic.............. 131 8.3 Réduction et calibration des données MIDI.................. 135 8.3.1 Le logiciel de réduction MIA...................... 135 8.3.2 Le logiciel de réduction EWS..................... 136 8.3.3 Influence du facteur de lissage dans EWS............... 136 8.3.4 Moyennage des flux corrélés...................... 137 8.3.5 Calibration des flux corrélés...................... 138 8.4 Modélisation préliminaire avec GRaTeR................... 142 Conclusion 149 9 Résumé des résultats et perspectives futures 151 Bibliographie 157 vi Table des matières Table des figures 1 Message envoyé depuis Arecibo en 1974....................3 2 Principe de détection d’exoplanètes avec Kepler................4 3 Exoplanètes potentiellement habitables.....................4 4 Système Kepler-186...............................5 5 Comparaison entre le soleil et TRAPPIST-1..................6 1.1 Vue d’artiste de la nébuleuse solaire...................... 10 1.2 Représentation de la ligne de glace dans le système solaire.......... 11 1.3 Vue d’artiste de la formation des planètes rocheuses et gazeuses....... 12 1.4 Représentation de la distribution de petits corps aux dufférentes phases du LHB........................................ 13 1.5 La zone habitable du système solaire...................... 14 1.6 La poussière zodiacale dans notre système solaire............... 15 1.7 Le “Pale blue dot”................................ 16 1.8 L’organisation du système solaire........................ 18 1.9 Analyse statistique de la population froide................... 21 1.10 Disque froid de β Pic et Fomalhaut....................... 21 1.11 Modélisation d’un système Soleil-Terre à 10 pc................ 23 1.12 Distribution d’énergie d’un système étoile+disque............... 24 2.1 Dispositif des fentes de Young.......................... 26 2.2 Illustration d’une source quasi-monochromatique............... 30 2.3 Variation de l’intensité du signal en fonction du degré complexe de cohé- rence mutuelle.................................. 32 2.4 Cas d’une source étendue............................ 33 2.5 Schématisation d’une source étendue située loin du plan d’observation... 35 2.6 Principe de l’interférométrie de nulling..................... 41 3.1 Représentation de la courbe de visibilité en fonction de la base interféro- métrique..................................... 46 3.2 Schématisation de l’effet Poynting-Robertson................. 52 3.3 Remplissage du disque interne par éjection de matériel par les planètes... 53 3.4 Résonance de moyen mouvement avec une planète excentrique........ 53 3.5 Simulation d’un impact Terre-Lune dans des observations JWST...... 55 vii viii Table des figures 3.6 Simulation de la résonance de moyen mouvement pour une planète de cinq masse terrestre.................................. 56 3.7 Effet combiné de la résonance de moyen mouvement et de l’effet Poynting- Robertson..................................... 57 3.8 Piégeage de la poussière par du gaz....................... 58 3.9 Illustration du mécanisme de piégeage magnétique.............. 59 5.1 Distribution de l’excès infrarouge dans l’échantillon Exozodi......... 66 5.2 Taux de détection d’exozodis en fonction du type spectral.......... 67 5.3 Taux de détection d’exozodis en