Non-LTE spectroscopy of methane in hypersonic flow for the characterisation of hot Jupiters (Spectroscopie hors équilibre du méthane en jet hypersonique pour la caractérisation des Jupiters chauds)

Dudás, Eszter - (2021-07-02) / Universite de Rennes 1 Non-LTE spectroscopy of methane in hypersonic flow for the characterisation of hot Jupiters Langue : Anglais Directeur de thèse:  Georges, Robert Laboratoire :  Institut de Physique de Rennes Ecole Doctorale : Matière, Molécules et Matériaux Thématique : Physique

Accès à la ressource :  https://ged.univ-rennes1.fr/nuxeo/site/esupversion... Mots-clés : spectroscopie infrarouge ultrasensible, méthane, écoulement hypersonique, exoplanètes, plasma froid, Spectroscopie infrarouge, Méthane, Aérodynamique hypersonique, Jupiters chauds, Plasmas froids Résumé : Le système expérimental de pointe SMAUG a été développé pour produire des données de référence spectroscopiques infrarouges inédites pour la détection de nouvelles molécules et la reconstruction de la structure verticale de l'atmosphère d’exoplanètes de type Jupiter chaud. Une minituyère de Laval en graphite, connectée à une source de haute enthalpie et couplée à un spectromètre par temps de déclin d’une cavité optique (CRDS), a été développée afin de produire des spectres infrarouges à haute résolution et haute température du méthane dans la région à 1,67 μm. Le dispositif expérimental fonctionne dans deux configurations complémentaires pour accéder aux signatures infrarouges complexes du méthane dans ses états vibrationnels fortement excités. Une détente hypersonique produit un état de très fort déséquilibre thermodynamique moléculaire, associé à des températures vibrationnelles élevées et une température rotationnelle très basse. Du spectre hors équilibre sont extraites les positions précises des niveaux d'énergie vibrationnels excités qui permettent d’affiner la surface d'énergie potentielle du méthane et d’améliorer la précision des modèles théoriques variationnels ab initio qui fournissent les listes de raies spectroscopiques à haute température à la communauté des planétologues. Une nouvelle technique CRDS post-choc conduit à des conditions proches de l’équilibre thermodynamique local. Les températures vibrationnelle et rotationnelle élevées atteintes donnent accès à la structure rotationnelle complète des différentes bandes obervées, de même qu’aux bandes chaudes vibrationnelles issues des états les plus excités de chaque polyade du méthane. En parallèle, une source plasma radiofréquence de type Pocket Rocket a été adaptée et utilisée comme moyen de chauffage alternatif.. Ce travail de thèse a été réalisé dans le cadre du projet ANR e-PYTHEAS qui vise à mieux connaître la formation des exoplanètes et leur évolution. Résumé (anglais) : A state-of-art experimental system, SMAUG has been developed to produce unprecedented infrared spectroscopic reference data that will help planetologists to detect new molecules and reconstruct the vertical structure of the atmosphere of exoplanets. A specially designed small dimension Laval nozzle connected to a compact high enthalpy source equipped with cavity ringdown spectroscopy (CRDS) is used to produce high-resolution infrared spectra of polyatomic molecules in the 1.67 μm region. The experimental setup can operate according to two complementary working regimes to interpret the complex pattern of highly-excited vibrational states. The hypersonic jet delivers a strong out-ofequilibrium state, in which vibrationally hot and rotationally cold high-resolution infrared spectra was recorded. The obtained non-Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) spectrum of methane provides accurate positions of the upper energy levels to refine the potential energy surface on which ab initio variational theoretical models are based. A post-shock CRDS technique results in conditions close to LTE which allow the analysis of a more complex rotational structure and complete information on the excited hot vibrational energy levels. Parallelly, through a collaboration, a transformed Pocket Rocket plasma source was developed and implanted into SMAUG to investigate an alternative heating system with more elevated vibrational energy levels. This work was done in the frame of the e-PYTHEAS project that focuses on hightemperature spectroscopy of small hydrocarbons. Identifiant : rennes1-ori-wf-1-15167

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