Transiting Exoplanet Studies and Community Targets for JWST's Early Release Science Program

The James Webb Space Telescope (JWST) will likely revolutionize transiting exoplanet atmospheric science, due to a combination of its capability for continuous, long duration observations and its larger collecting area, spectral coverage, and spectral resolution compared to existing space-based facilities. However, it is unclear precisely how well JWST will perform and which of its myriad instruments and observing modes will be best suited for transiting exoplanet studies. In this article, we describe a prefatory JWST Early Release Science (ERS) Cycle 1 program that focuses on testing specific observing modes to quickly give the community the data and experience it needs to plan more efficient and successful transiting exoplanet characterization programs in later cycles. We propose a multi-pronged approach wherein one aspect of the program focuses on observing transits of a single target with all of the recommended observing modes to identify and understand potential systematics, compare transmission spectra at overlapping and neighboring wavelength regions, confirm throughputs, and determine overall performances. In our search for transiting exoplanets that are well suited to achieving these goals, we identify 12 objects (dubbed “community targets”) that meet our defined criteria. Currently, the most favorable target is WASP-62b because of its large predicted signal size, relatively bright host star, and location in JWST's continuous viewing zone. Since most of the community targets do not have well-characterized atmospheres, we recommend initiating preparatory observing programs to determine the presence of obscuring clouds/hazes within their atmospheres. Measurable spectroscopic features are needed to establish the optimal resolution and wavelength regions for exoplanet characterization. Other initiatives from our proposed ERS program include testing the instrument brightness limits and performing phase-curve observations. The latter are a unique challenge compared to transit observations because of their significantly longer durations. Using only a single mode, we propose to observe a full-orbit phase curve of one of the previously characterized, short-orbital-period planets to evaluate the facility-level aspects of long, uninterrupted time-series observations.

Détection et caractérisation de naines brunes et exoplanètes avec un filtre accordable pour applications dans l'espace

Cette thèse porte sur la capacité à détecter des compagnons de faible intensité en présence de bruit de tavelures dans le contexte de l’imagerie à haute gamme dynamique pour l’astronomie spatiale. On s’intéressera plus particulièrement à l’imagerie spectrale différentielle (ISD) obtenue en utilisant un étalon Fabry-Pérot comme filtre accordable. Les performances d’un tel filtre accordable sont présentées dans le cadre du Tunable Filter Imager (TFI), instrument conçu pour le télescope spatial James Webb (JWST). La capacité de l’étalon à supprimer les tavelures avec ISD est démontrée expérimentalement grâce à un prototype de l’étalon installé sur un banc de laboratoire. Les améliorations de contraste varient en fonction de la séparation, s’étendant d’un facteur 10 pour les séparations supérieures à 11 lambda/D jusqu’à un facteur 60 à 5 lambda/D. Ces résultats sont cohérents avec une étude théorique qui utilise un modèle basé sur la propagation de Fresnel pour montrer que les performances de suppression de tavelures sont limitées par le banc optique et non pas par l’étalon. De plus, il est démontré qu’un filtre accordable est une option séduisante pour l’imagerie à haute gamme dynamique combinée à la technique ISD. Une seconde étude basée sur la propagation de Fresnel de l’instrument TFI et du télescope, a permis de définir les performances de la technique ISD combinée avec un étalon pour l’astronomie spatiale. Les résultats prévoient une amélioration de contraste de l’ordre de 7 jusqu’à 100, selon la configuration de l’instrument. Une comparaison entre ISD et la soustraction par rotation a également été simulée. Enfin, la dernière partie de ce chapitre porte sur les performances de la technique ISD dans le cadre de l’instrument Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS), conçu pour remplacer TFI comme module scientifique à bord du Fine Guidance Sensor du JWST. Cent quatre objets localisés vers la région centrale de la nébuleuse d’Orion ont été caractérisés grâce à un spectrographe multi-objet, de basse résolution et multi-bande (0.85-2.4 um). Cette étude a relevé 7 nouvelles naines brunes et 4 nouveaux candidats de masse planétaire. Ces objets sont utiles pour déterminer la fonction de masse initiale sous-stellaire et pour évaluer les modèles atmosphériques et évolutifs futurs des jeunes objets stellaires et sous-stellaires. Combinant les magnitudes en bande H mesurées et les valeurs d’extinction, les objets classifiés sont utilisés pour créer un diagramme de Hertzsprung-Russell de cet amas stellaire. En accord avec des études antérieures, nos résultats montrent qu’il existe une seule époque de formation d’étoiles qui a débuté il y a environ 1 million d’années. La fonction de masse initiale qui en dérive est en accord avec des études antérieures portant sur d’autres amas jeunes et sur le disque galactique.

Physical characterization of TNOs with the James Webb Space Telescope

Studies of the physical properties of trans-Neptunian objects (TNOs) are a powerful probe into the processes of planetesimal formation and solar system evolution. James Webb Space Telescope (JWST) will provide unique new capabilities for such studies. Here, we outline where the capabilities of JWST open new avenues of investigation, potentially valuable observations and surveys, and conclude with a discussion of community actions that may serve to enhance the eventual science return of JWST's TNO observations.

Exploring Habitability Markers, Biosignatures, and Their False Positives Using Spectral Models of Terrestrial Exoplanets

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

Pulling Back the Veil: The Characterization and Habitability of Enshrouded Worlds

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08