Abstract :
[en] In order to solve the puzzle of the origin of the exoplanets and the Solar System, it is necessary to observe on-going planet formation. The young gas- and dust-rich circumstellar disks, also called protoplanetary disks, are the expected birthplace of planets. A fraction of these disks, referred to as transition disks, were identified to harbor inner clearings in their dust distribution, with some of these gaps extending over several dozens au, possibly due to dynamical carving by nascent giant planets. This thesis takes advantage of the synergy between the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) and high-contrast imaging (HCI) instruments to study planet formation and the planet-disk mutual feedback in these transition disks with large gaps.
The first part of my thesis is dedicated to the imaging of transition disks with large gaps. New high-quality images obtained with ALMA and new HCI instruments have revealed several signposts for the presence of companions in these disks, including large gaps, asymmetric dust distributions, shadows, warps and spiral arms. In this context, I performed a detailed analysis of the spirals found in the transition disks of MWC 758 and HD 142527. The spiral arms of MWC 758, along with other features of the disk, appear most compatible with the presence of two embedded companions, with one of them being tentatively detected inside the disk cavity based on our data. In the case of HD 142527, we conclude that the spirals stemming from the edge of the cavity are, along with other features of the disk, by-products of the disk-binary dynamical interaction. The very cold large-scale CO spirals seen with ALMA have a more uncertain origin, which could be related either to gravitational instability or the shadows cast by the inclined inner disk.
To test the hypothesis that large gaps in transition disks are due to embedded companions, I carried out a HCI survey of those disks using VLT/NACO in thermal IR, presented in the second part of this thesis. I implemented a data reduction pipeline, and used it to search for faint companions in all the disks already observed in this (still on-going) survey. So far, four companion candidates have been identified (out of 15 sources observed), although follow-up observations are required to confirm they are genuine companions. I also present my contribution to the detection of a young extremely red substellar companion in the debris disk of HD 206893 using thermal-IR NACO+AGPM data.
The potential of integral field spectrographs (IFS) to detect and characterize faint companions is investigated in the third part of this thesis. A sample of five transition disks with large gaps was observed with VLT/SINFONI in near-IR. The combination of angular and spectral differential imaging (ASDI) enabled to efficiently suppress speckles and achieve high contrasts in a range of radial separations. We (re)detected three companions (one new detection to be confirmed) and two spiral patterns (one tentative). In particular, for HD 142527 the low-mass companion was redetected in most spectral channels, which allowed me to carry out a detailed spectral characterization and infer its physical parameters.
In conclusion, this thesis has provided new insights into transition disks and the possible link between large gaps and embedded companions. Both the confirmed companions and the non-detections from our surveys will feed a statistical analysis on the occurrence of protoplanets in transition disks, which should provide useful constraints on where, when and how giant planets form. In the single case of HD 142527 could the companion signposts in the disk be firmly associated to a detected companion. To reach this conclusion a global approach was followed, including synergetic multi-wavelength observations probing separately the disk and the companion, dedicated hydro-dynamical simulations, and an analysis of both observed and simulated spirals. This kind of approach will be pursued for confirmed companions in our surveys in order to provide better insight into companion-disk interactions and better constraints on these companions. Finally, the results obtained with SINFONI suggest that future IFS with a similar design but fed with extreme adaptive optics systems hold high potential to reach even higher contrasts.
[fr] Afin de résoudre le mystère de l’origine des exoplanètes et du Système Solaire, il est nécessaire d’observer des planètes en cours de formation. Les jeunes disques circumstellaires riches en gaz et en poussière, également appelés disques protoplanétaires sont supposés être le lieu de naissance des planètes. Une fraction de ces disques, appelés disques de transition, a été identifiée comme abritant des clairières internes dans leur distribution de poussière, avec certaines de ces cavités s’étendant sur plusieurs dizaines d’UA. Ces trous pourraient être le résultat de la sculpture dynamique du disque par des planètes géantes naissantes. Cette thèse tire profit de la synergie entre les instruments d’imagerie à haut-contraste (HCI) et ALMA (Atacama Large Millimeter Array) pour étudier la formation de planètes et comprendre le feedback mutuel planètes-disque dans ces disques de transition avec de grandes cavités.
La première partie de ma thèse est dédiée à l’imagerie de ces disques. De nouvelles images de haute qualité obtenues avec ALMA et de nouveaux instruments HCI ont révélé plusieurs signes indiquant la présence de compagnons dans ces disques, notamment de grandes cavités, des distributions asymétriques de poussière, des ombres, des distorsions du disque et des bras spiraux. Dans ce contexte, j’ai effectué une analyse détaillée des spirales trouvées dans les disques de MWC 758 et HD 142527. Mon analyse des bras spiraux de MWC 758, ainsi que la présence d’autres indices dans le disque, suggère la présence de deux compagnons, dont un seul a possiblement été détecté dans la cavité sur base de nos données. Dans le cas de HD 142527, nous concluons que les spirales issues du bord de la cavité sont, tout comme d’autres aspects du disque, des sous-produits de l’interaction dynamique entre la binaire et le disque. Les spirales de CO à grande échelle observées avec ALMA ont une origine plus incertaine, qui pourrait être liée à l’instabilité gravitationnelle du disque ou à des ombres projetées par le disque interne distordu.
Pour tester l’hypothèse que les cavités dans les disques de transition sont dues à la présence de compagnons, j’ai effectué un relevé HCI de ces disques en utilisant VLT/NACO en IR thermique, présentée dans la deuxième partie de cette thèse. J’ai mis en place un pipeline de réduction de données, et l’ai utilisé pour obtenir des images finales et évaluer la sensitivité obtenue en ce qui concerne la présence de compagnons de faible masse dans tous les disques déjà observés dans ce relevé (toujours en cours). Jusqu’à présent, quatre candidats compagnons ont été identifiés (sur 15 sources observées), bien qu’un suivi soit nécessaire pour confirmer qu’ils s’agit de véritables compagnons. Je présente également la détection d’un jeune compagnon substellaire extrêmement rouge dans le disque de débris de HD 206893 grâce à d’autres données NACO+AGPM.
Dans la troisième partie de cette thèse, nous avons étudié le potentiel des spectrographes intégral de champ (IFS) pour détecter et caractériser des compagnons de faible masse. Un échantillon de cinq disques de transition présentant de grands trous annulaires a été observé avec VLT/SINFONI en proche IR. Via la combinaison des techniques d’imagerie différentielle angulaire et spectrale (ASDI), nous avons pu supprimer efficacement les speckles dans l’image et atteindre des contrastes élevés dans une gamme de séparations radiales. Nous avons (re)détecté trois compagnons (dont une nouvelle détection à confirmer) et deux motifs de spirales (dont un à confirmer) En particulier, pour HD 142527 le compagnon de faible masse fut redétecté dans la plupart des canaux spectraux, ce qui m’a permis d’effectuer une caractérisation spectrale et d’estimer ses paramètres physiques.
En conclusion, cette thèse a apporté de nouvelles contraintes sur les disques de transition et leurs possibles liens avec la présence de compagnons. Les compagnons confirmés et les non-détections dans nos relevés alimenteront une étude statistique sur la présence de protoplanètes dans les disques de transition, ce qui devrait fournir de nouvelles contraintes sur la manière dont se forment les planètes géantes. Dans le cas de HD 142527, la plupart des signes de présence de compagnon dans le disque purent être associés à un compagnon détecté, et ce grâce à une approche globale, comprenant des observations à multiples longueurs d’ondes sondant séparément le disque et le compagnon, des simulations hydrodynamiques du disque et une analyse détaillée des bras spiraux observés et simulés. Ce type d’analyse sera appliqué aux compagnons confirmés dans nos relevés afin de mieux comprendre les interactions entre disque et compagnon, et fournir de meilleures contraintes sur ces compagnons. Pour finir, les résultats obtenus avec SINFONI suggèrent que les futurs IFS de conception similaire, mais alimentés avec des systèmes d’optique adaptative extrême, ont le potentiel d’atteindre des contrastes encore plus élevés.
