LESIA - Observatoire de Paris

Soutenance de thèse de Quentin Kral le mardi 14 octobre 2014

mercredi 8 octobre 2014

La soutenance aura lieu le mardi 14 octobre 2014 à 14h00 dans la salle de conférence du Château, à l’Observatoire de Paris sur le site de Meudon.

Titre

L’étude des disques de débris avec un modèle numérique nouvelle génération

Directeur de thèse

Philippe Thébault

Résumé

Ce travail de recherche a porté sur la réalisation et l’exploitation d’un code numérique de nouvelle génération, permettant de modéliser, de manière auto-cohérente, l’évolution des disques de débris. Ces disques de poussières, optiquement fins, pouvant être très âgés, sont présents autour d’au moins 30% des étoiles. De nombreuses observations avec des instruments tels que Herschel, Hubble, le VLT, le LBTI, ALMA et bientôt l’EELT ou le JWST donnent des images de plus en plus précises de ces objets, dont les formes et structures variées que l’on y repère, recèlent encore bien des mystères. Une pléthore de modèles tente de mettre à jour le lien entre les structures détectées, le spectre du système, la photométrie et les interactions avec l’environnement proche. En effet, la présence de planètes, par l’entremise de ses résonances ou de ses perturbations gravitationnelles diverses, peut induire des structures dans les disques (gauchissement, asymétrie de brillance, amas de poussière, ...). De même, la présence de gaz, d’un compagnon stellaire, ou une collision massive peuvent expliquer une partie des asymétries observées. Néanmoins, il faut développer des modèles robustes qui soient capables de prendre en compte la complexité de la physique inhérente à ces disques, en particulier les interactions entre les collisions et la dynamique, pour donner les meilleures observables possibles.

Notre équipe a d’abord développé un modèle nommé DyCoSS capable de coupler partiellement les collisions à la dynamique. Néanmoins, à cause de multiples limitations inhérentes à ce modèle, nous avons opté pour le développement de LIDT-DD : le premier modèle auto-cohérent couplant, de manière totale, les collisions et la dynamique et prenant en compte l’évolution de la poussière dans les disques de débris. De plus, le code a été couplé à GRaTer, un modèle de transfert de rayonnement permettant de bien traiter la dynamique des grains suivant leur taille, leur composition, le type d’étoile... Une fois ce modèle mis au point, en essayant d’être le plus générique possible, nous avons effectué une panoplie de tests pour valider son fonctionnement.

Dans une deuxième partie, nous avons analysé les collisions massives dans les disques de débris à l’aide de LIDT-DD. Ces collisions sont des marqueurs de la formation planétaire et méritent une attention particulière afin de nous aider à valider les modèles de formation planétaire ou même d’optimiser nos chances de voir des planètes en formation. Avec notre modèle, nous mettons à jour la signature observationnelle de ces collisions massives et sommes capables de suivre l’évolution du système sur l’ensemble de sa durée de vie. Ainsi, nous distinguons différentes phases et donnons les échelles de temps associées. Nous prédisons que ces explosions sont détectables par Spitzer/MIPS à 24 microns, et nous montrons que pour des systèmes assez proches (environ 10 pc), nous sommes même capables de résoudre de tels événements avec des instruments tels que SPHERE/VLT en lumière diffusée ou MIRI/JWST en émission thermique.

Enfin, nous livrons au lecteur des études en cours, et montrons par là même, l’ensemble des perspectives qui s’offrent à nous grâce à ce nouveau modèle LIDT-DD.

Mots-clés

Disques de débris, systèmes planétaires, collisions, dynamique, modèle numérique


Title

Study of debris discs with a new generation numerical model

Supervisor

Philippe Thébault

Abstract

The present work was dedicated to the development and use of a new generation numerical code, able to model in a self-consistent way debris discs’ evolution. These dust discs, optically thin, sometimes very old, are present around at least 30% of stars. Numerous observations with Herschel, the VLT, the LBTI, ALMA and soon the EELT or the JWST give images that are always more accurate of these objects, for which, the visible structures that are observed are astonishingly different from each other ; leaving often a mystery to be solved. Various models attempt to reveal the link between the observed structures, the system spectra, its photometry and the interactions with the close-environment. Indeed, the presence of planets, through its resonances or gravitational perturbations, can induce the production of structures in these discs (warp, brightness asymmetry, dust clump, ...). Likewise, the presence of gas, of a stellar companion or a massive collision could explain a part of observed asymmetries. Nonetheless, robust models have to be developed, that are able to take into account the complexity of the physics associated with these discs, especially the interactions between the collisions and dynamics, in order to give the closest outputs to observations.

Firstly, our team developed a model named DyCoSS able to partially couple the collisions and dynamics. However, because of numerous limitations of this model, we decided to develop a totally new, stand alone code, called LIDT-DD : the first self-consistent model fully coupling the collisions and dynamics and taking into account the evolution of dust in debris discs. Moreover, the code has been coupled to GRaTer, a radiative transfer code, able to treat the dynamics of grains according to their size, composition, stellar type, ... Once the model, trying to be as generic as possible, was implemented, we carried out a huge number of tests to validate it.

In a second part, we analyzed massive collisions in debris discs with LIDT-DD. These collisions are planetary formation markers and deserve a special attention, to help to test the planetary formation models or even to optimize our chances to detect forming planets. With our model, we explore the observational signatures of these massive collisions and are able to follow the system evolution on most of its lifetime. Hence, we distinguish different phases and give the timescales associated. We predict that these collisions are detectable by Spitzer/MIPS at 24 microns and show that for nearby systems (about 10 pc), we are able to resolve such events with instruments such as SPHERE/VLT in scattered light or MIRI/JWST in thermal emission.

Finally, we inform the reader regarding our current on-going work and thus illustrate the numerous possibilities opened with the new model LIDT-DD.

Keywords

Debris discs, planetary systems, collisions, dynamics, numerical model.