AIX-MARSEILLE UNIVERSITÉ ECOLE DOCTORALE 352 LABORATOIRE D’ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE Thèse présentée pour obtenir le grade universitaire de docteur Discipline : Physique et Sciences de la Matière Spécialité : Astrophysique et Cosmologie Melissa J. HOBSON Exoplanet Detection Around M Dwarfs with Near Infrared and Visible Spectroscopy Détection des exoplanètes autour de naines M par spectroscopie proche infra-rouge et visible Soutenue le 08/10/2019 devant le jury composé de : Eduardo MARTIN Centro de Astrobiología (INTA-CSIC) Rapporteur Peter WHEATLEY Department of Physics, University of Warwick Rapporteur Magali DELEUIL Laboratoire d’Astrophysique de Marseille Présidente du jury Xavier DELFOSSE Institut de Planetologie et d’Astrophysique de Grenoble Examinateur Christophe LOVIS Observatoire de Genève Examinateur Isabelle BOISSE Laboratoire d’Astrophysique de Marseille Co-directrice de thèse François BOUCHY Laboratoire d’Astrophysique de Marseille Directeur de thèse Numéro national de thèse/suffixe local : 2019AIXM0317/049ED352 Cette oeuvre est mise à disposition selon les termes de la Licence Creative Com- mons Attribution - Pas d’Utilisation Commerciale - Pas de Modification 4.0 Internatio- nal. Résumé Récemment, la science exoplanètaire s’est focalisé sur les étoiles M comme cibles intéressantes pour la détection et caractérisation des exoplanètes. Il y a plusieurs rai- sons pour ça : Les naines M sont les étoiles les plus communes de la galaxie ; leur petit taille implique qu’on peut détecter des planètes plus petits qu’autour des étoiles G ; la zone d’habitabilité d’eau liquide est plus proche à l’étoile. La population émergente de planètes autour de naines M montre des caractéristiques intrigantes par rapport aux planètes des étoiles FGK, comme l’absence des Jupiters chauds, et l’incertitude de la corrélation planète-metalicité. L’objectif de cette thèse est d’explorer la détection d’exoplanètes autour de naines M par la méthode de vitesse radiale, dans les domaines du visible et du prochaine infra- rouge. J’ai aussi réalisé un analyse statistique de la population connue de planètes autour de naines M, comme il était au début et à la fin de la thèse. Dans le visible, j’ai travaillé avec le spectrographe SOPHIE à l’Observatoire d’Haute- Provence, comme partie du consortium SOPHIE exoplanètes. Cet groupe, qui regroupe des chercheurs dans multiples institutes en France et des pays voisins, a effectué di- verses programmes de recherche d’exoplanètes, dont une se focalise sur la recherche de planètes autour de naines M (avec spécial attention aux Neptunes et superTerres). J’ai appliqué une algorithme "template-matching" aux cibles de ce sous-programme, et ana- lysé les séries de vitesse radiale résultantes. À partir e cet analyise, j’ai pu confirmer l’im- portance des signaux périodiques que, si bien présents dans l’analyse CCF traditionnel, étaient partiellement cachés par le bruit. J’ai aussi étudié une variété d’indices d’acti- vité, trouvant ceux qui sont mieux adaptés aux spectres de SOPHIE. Les premiers quatre exoplanètes issus de ce sous-programme ont récemment été publiées ; j’ai été première auteur pour deux des trois articles. Dans le prochaine infra-rouge, j’ai travaillé avec le spectropolarimetre SPIRou au Canada France Hawaii Telescope, comme partie du consortium SPIRou. Ce nouvelle instrument a été conçu spécifiquement pour l’observation des naines M, qui sont faibles dans le visible et émettent la plupart de son radiation dans le prochaine infra-rouge. J’ai travaillé sur le développement du système de réduction des données, particulièrement sur la solution en longueur d’onde - c’est à dire, la correspondance entre la position en pixels et la longueur d’onde, qui est crucial pour mesurer des vitesses radiales précises. J’ai développé et testé des façons de combiner différents calibreurs de longueur d’onde, pour obtenir une solution en longueur d’onde précise. Mots clés : exoplanètes, spectroscopie, naines M, vitesses radiales Abstract In recent years, exoplanet science has begun to focus on M-dwarf stars as highly interesting targets for exoplanet detection and characterisation. The reasons for this are multiple: M dwarfs are the most common stars in the galaxy; their small size means smaller exoplanets can be detected than around G-type stars; the liquid-water habitable zone is closer to the star, hence these planets are faster and easier to detect. The emerg- ing population of planets hosted by M dwarfs shows intriguing characteristics compared to planets hosted by FGK stars, such as a lack of hot Jupiters, and an uncertain planet- metallicity correlation. The aim of this thesis is to explore the detection of exoplanets around M dwarfs via the radial velocity method, in both the near infrared and visible domains. I also carried out a statistical analysis of the known population of planets around M dwarfs, as it stood both at the start of the thesis and at its conclusion. In the visible, I worked with the SOPHIE spectrograph at the Observatoire de Haute- Provence, as part of the SOPHIE exoplanets consortium. This group, which nucleates researchers in multiple institutes in France and neighbouring countries, has been car- rying out several long-term exoplanet surveys, one of which focuses on the search for planets around M dwarfs (with special attention to Neptunes and superEarths). I ap- plied a template-matching algorithm to the targets of this subprogramme, and analysed the resulting radial velocity time series. Through this analysis, I was able to confirm the significance of periodic signals that, while apparent in the traditional CCF analy- sis, were partially hidden by noise. I also studied a variety of stellar activity indicators, identifying those most suited to SOPHIE spectra. The first four exoplanets from this subprogramme have recently been published; I was lead author for two of the three papers. In the near infrared, I worked with the SPIRou spectropolarimeter at the Canada France Hawaii Telescope, as part of the SPIRou consortium. This new instrument was conceived specifically for the observation of M dwarfs, which are faint in the visible and emit most of their radiation in the infrared. I worked on the development of the data reduction pipeline, with specific focus on the wavelength solution - that is, the corre- spondence between pixel position and wavelength, which is crucial to the measurement of precise radial velocities. I developed and tested ways to combine different wavelength calibrators, for an accurate wavelength solution. Keywords: exoplanets, spectroscopy, M dwarfs, radial velocities Contents Résumé 3 Abstract 4 Contents 5 List of Figures 7 List of Tables 9 Résumé étendue en français 11 0.1 Introduction................................... 11 0.1.1 La méthode de vitesse radiale..................... 12 0.1.2 Recherche d’exoplanètes autour de naines M............. 13 0.2 Recherche en vitesse radiale des naines M avec le spectrographe SOPHIE 14 0.3 Développement du spectropolarimetre SPIRou ............... 16 0.4 Proprietés des planètes autours des naines M ................ 18 0.5 Conclusions................................... 19 Introduction 21 1.1 A brief history of exoplanets.......................... 22 1.2 Characteristics of M-dwarf stars........................ 24 1.3 The radial velocity method .......................... 28 1.3.1 Limitations of the RV method..................... 30 1.3.2 Visible and nIR spectrographs and surveys ............. 32 1.4 M-dwarf stars and their planets (as of 2016)................. 34 1.5 Thesis objectives ................................ 39 2 M-dwarf RV search with the SOPHIE spectrograph 41 2.1 The SOPHIE spectrograph .......................... 42 2.2 The M-dwarf sample.............................. 43 2.3 The template-matching method........................ 45 2.4 Instrumental instabilities............................ 48 2.4.1 Charge transfer inefficiency ...................... 48 2.4.2 Nightly drift .............................. 49 2.4.3 Long-term variation of the zero-point................. 50 2.5 Summary of SOPHIE results on M dwarfs.................. 52 2.5.1 Discovery of new exoplanets...................... 55 2.5.2 Confirmation or non-confirmation of published planets . 81 2.5.3 Stellar activity mitigation....................... 83 2.6 Other contributions to SOPHIE RV programmes.............. 90 2.6.1 High precision RV search for super-Earths.............. 90 2.6.2 Simultaneous FP background correction............... 92 3 Development of the SPIRou nIR spectropolarimeter 95 3.1 The SPIRou spectropolarimeter........................ 96 3.2 The SPIRou Data Reduction System..................... 99 3.3 Validation tests and commissioning......................102 3.4 Wavelength calibration development .....................103 3.4.1 Hollow-cathode lamps .........................103 3.4.2 Combination with Fabry-Pérot reference . 107 3.5 Validation and performances of the wavelength solution . 110 3.5.1 Impact of previous calibrations....................111 3.5.2 Performances of the HC wavelength solution . 114 3.5.3 Combined HC-FP wavelength solution . 115 3.5.4 Impact on RV error ..........................117 3.5.5 Upcoming changes to the Data Reduction System . 119 3.6 SPIRou science programs ...........................120 3.6.1 Spirou Legacy Survey .........................120 3.6.2 Synergy with SOPHIE.........................122 4 Properties of M-dwarf planets as of 2019 125 4.1 Overview and growth of the M dwarf planet population sample . 126 4.2 Stellar