Characterization of exoplanetary systems with the direct imaging technique: towards the first results of SPHERE at the Very Large Telescope

In the year of the 20th anniversary of the discovery of the first extrasolar planet we can count more than 1800 companions found with different techniques. The majority of them are indirect methods that infer the presence of an orbiting body by observing the parent star (radial velocity, transits, astrometry). In this work we explore the technique that permits to directly observe planets and retrieve their spectra, under the conditions that they are bright and far enough from their host star. Direct imaging is a new technique became possible thanks to a new generation of extreme adaptive optics instruments mounted on 8m class telescopes. On the Very Large Telescope two instruments dedicated to the research for exoplanets with direct imaging are now operative: NACO and SPHERE. This thesis will describe the development and results of SPHERE from its predecessor NACO to its integration in laboratory and the final on sky results. Chapter 1 gives a presentation of the exoplanet research, the formation mechanisms, and the characterization of planet atmospheres. Chapter 2 gives a general frame of the two instruments used for the results presented in this thesis: NACO and SPHERE. In Chapter 3 I describe an example of a false positive in the direct imaging technique, found during the survey NACO-Large Program. This work have been published in Zurlo et al. 2013. In Chapter 4 I present the performance of SPHERE, in particular of the subsystems IRDIS and IFS, deeply tested in the laboratory before the shipping to Paranal. This work has been published in Zurlo et al. 2014. Chapter 5 presents a work done to find special targets for the NIRSUR survey, these object are radial velocity long period planets which are observable with SPHERE. In Chapter 6 I present one of the first on sky result, the observations and analysis of the multi-planetary system HR\,8799. In Chapter 7 I give the conclusions and future prospects.

Al giorno d'oggi più di 1800 pianeti sono stati scoperti orbitare attorno a stelle al di fuori del sistema solare. Le tecniche utilizzate per la ricerca di pianeti extrasolari sono molteplici: alcune, dette metodi indiretti, si basano sull'osservazione della perturbazione indotta dal pianeta orbitante sulla stella ospite, mentre altre si basano sull'osservazione diretta del pianeta stesso. La maggior parte dei pianeti scoperti attualmente é stata rivelata grazie ai primi. Specialmente il metodo delle velocità radiali e dei transiti hanno fornito il più alto numero si scoperte. Lo svantaggio di questo tipo di tecniche é che la caratterizzazione del pianeta non può essere completa a meno che non vengano usate simultaneamente più tecniche. Inoltre, per ottenere lo spettro del pianeta, quest'ultimo deve transitare e anche in questo caso il segnale é difficilmente estrapolabile. L'osservazione diretta di questi oggetti, detta “direct imaging”, é oggi possibile grazie ad avanzati sistemi di ottica adattiva installati su telescopi della classe 8m. Il direct imaging permette l'osservazione diretta di pianeti sufficientemente luminosi e distanti dalla stella ospite grazie ad una maschera che oscura la luce di quest'ultima. Questa tecnica quindi é particolarmente efficiente su sistemi giovani e vicini, dato che la luminosità intrinseca del pianeta diminuisce con l'età e che la separazione effettiva del pianeta dipende dalla distanza del sistema stesso. Sul Very Large Telescope a Paranal (Chile) due strumenti sono dedicati a questo tipo di ricerca: NACO e SPHERE. NACO é stato pensato come predecessore e prototipo di SPHERE, ma viene mantenuto grazie alle sue performance ancora competitive ed ad alcune caratteristiche che non sono presenti in SPHERE. SPHERE ha visto la sua prima luce in Maggio 2014 ed é ora pronto per cominciare una survey dedicata alla scoperta di pianeti attorno a sistemi giovani e vicini, NISUR. Questo strumento é composto da tre sottosistemi: IRDIS, IFS e ZIMPOL. IRDIS é una camera infrarossa cui detector é suddiviso in due porzioni uguali per sfruttare l'immagine simultanea del target in due filtri adiacenti. IFS é lo spettrografo di SPHERE, permette di estrarre lo spettro del pianeta con risoluzioni di 30 e 50 a seconda della banda spettrale utilizzata. ZIMPOL é l'unico sottosistema che lavora nel visibile, viene utilizzato per osservare la polarizzazione dei sistemi planetari. In questo lavoro viene presentato lo strumento SPHERE e il suo predecessore NACO, focalizzando sui risultati e sulle performance nella caratterizzazione dei sistemi planetari.