Direct imaging of exoplanets: Legacy and prospects

Exoplanetary science is a very active field of astronomy nowadays, with questions still opened such as how planetary systems form and evolve (occurrence, process), why such a diversity of exoplanets is observed (mass, radius, orbital parameters, temperature, composition), and what are the interactions between planets, circumstellar disk and their host star. Several complementary methods are used for the detection of exoplanets. Among these, imaging aims at the direct detection of the light reflected, scattered or emitted by exoplanets and circumstellar disks. This allows their spectral and polarimetric characterization. Such imaging remains challenging because of the large luminosity ratio (10 4 -10 10 ) and the small angular separation (fraction of an arcsecond) between the star and its environment. Over the past two decades, numerous techniques, including coronagraphy, have been developed to make exoplanet imaging a reality.This paper gives a broad overview of the subsystems that make up a coronagraphic instrument for imaging exoplanetary systems. It is especially intended for non-specialists or newcomers in the field. We explain the principle of coronagraphy and propose a formalism to understand their behavior. We discuss the impact of wavefront aberrations on the performance of coronagraphs and how they induce stellar speckles in the scientific image. Finally, we present instrumental and signal processing techniques used for on-sky minimization or a posteriori calibration of these speckles in order to improve the performance of coronagraphs.Résumé. L'exoplanétologie est un domaine très actif de l'astronomie moderne avec des questions encore ouvertes : comment les systèmes planétaires se forment-ils et évoluent-ils ; pourquoi une telle diversité d'exoplanètes est-elle observée (masse, rayon, paramètres orbitaux, température, composition) ; quelles sont les interactions entre les planètes, les disques circumstellaires et leur étoile hôte ? Plusieurs méthodes complémentaires sont utilisées pour la détection d'exoplanètes. Parmi celles-ci, l'imagerie permet la détection directe de la lumière réfléchie, diffusée ou émise par les exoplanètes et les disques circumstellaires. Ceci permet une caractérisation spectrale et polarimétrique. Obtenir une image d'exoplanète n'est cependant pas simple en raison du grand rapport de luminosité (10 4 -10 10 ) et de la faible séparation angulaire (fraction de seconde d'angle) entre l'étoile et son environnement. Depuis deux décennies, de nombreuses techniques, dont la coronographie, ont été développées pour faire de l'imagerie des exoplanètes une réalité.

Imaging exoplanets with coronagraphic instruments

Galicher¹,

Mazoyer²

2024

Observations of circumstellar disks in scattered light with SPHERE at the VLT

Boccaletti¹

2024

The technological developments initiated in the early 21 st century have led to the implementation of "planet finders" instruments on 8-m class telescopes which are in operation since 2014-2015. Such facilities are at the inception of significant progresses in the study of exoplanetary systems by enabling high contrast imaging of the environment of young nearby stars. One of the most productive science in this field is certainly the observations at high angular resolution of circumstellar disks, from the very young gas-rich protoplanetary disks all the way to more elusive dust-rich debris disks. In this paper, we summarize the main results obtained for these two categories of objects focusing on their morphological characteristics, as well as on the measurement of optical properties of the small dust particles to which the near IR spectral range is sensitive to. We mostly provide exemples based on observations performed with the SPHERE instrument at the VLT.Résumé. Les développements technologiques initiés au début du 21 ème siècle ont conduit à la mise en place d'instruments "découvreurs de planètes" sur des télescopes de la classe 8m en fonctionnement depuis 2014-2015. De telles installations sont à l'origine de progrès significatifs dans l'étude des systèmes exoplanétaires en permettant l'imagerie à haut contraste de l'environnement des jeunes étoiles proches. L'une des sciences les plus productives dans ce domaine est certainement l'observation à haute résolution angulaire des disques circumstellaires, depuis les très jeunes disques protoplanétaires riches en gaz jusqu'aux disques de débris plus insaisissables, riches en poussières. Dans cet article, nous résumons les principaux résultats obtenus pour ces deux catégories d'objets en nous concentrant sur leurs caractéristiques morphologiques, ainsi que sur la mesure des propriétés optiques des petites particules de poussière auxquelles la gamme spectrale du proche IR est sensible. Nous présentons surtout des exemples basés sur des observations réalisées avec l'instrument SPHERE au VLT.

Detection of exoplanets: exploiting each property of light

Rouan¹,

Lagrange²

2024

Up to now and probably for still a long time, the only support of information used to detect exoplanets has been the analysis of light, either visible or infrared. In the vast majority of cases it is the light from a star and not the light from the planet itself which is used, because the huge contrast in brightness between the star and a planet orbiting it as well as the extremely short angular distance between them makes direct imaging a real challenge. It is then a subtle effect detected on the starlight that in general indicates the planet's presence and provides information on some of its characteristics: mass, radius, distance to the star, temperature, etc. As an introduction to the different contributions appearing in this volume, this article proposes a kind of brief review of the various methods imagined by astronomers to exploit one of the properties of the light to succeed in detecting and characterizing exoplanets. We'll show that even direct detection became a reality and contributes to the more than 5000 exoplanets detected today.Résumé. Jusqu'à présent et probablement pour encore longtemps, le seul support d'information utilisé pour détecter les exoplanètes est l'analyse de la lumière, qu'elle soit visible ou infrarouge. Dans la grande majorité des cas, c'est la lumière d'une étoile et non celle de la planète elle-même qui est utilisée, car l'énorme contraste de luminosité entre l'étoile et une planète en orbite autour d'elle ainsi que la distance angulaire extrêmement courte qui les sépare font de l'imagerie directe un véritable défi. C'est alors un effet subtil détecté sur la lumière de l'étoile qui indique en général la présence de la planète et fournit des informations sur certaines de ses caractéristiques : masse, rayon, distance à l'étoile, température, etc. En guise d'introduction aux différentes contributions figurant dans ce volume, cet article propose une sorte de brève revue des différentes méthodes imaginées par les astronomes pour exploiter une des propriétés de la lumière afin de parvenir à détecter et caractériser des exoplanètes. Nous montrerons que même la détection directe est devenue une réalité et contribue aux plus de 5000 exoplanètes détectées aujourd'hui.