Structure interne et minéralogie des exoplanètes terrestres de faible masse

Internal structure and mineralogy of low-mass terrestrial exoplanets

• Auteur / Autrice : Bastien Brugger
• Direction : Olivier Mousis, Magali Deleuil
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et Cosmologie
• Date : Soutenance le 24/09/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (LAM)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Beuzit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tristan Guillot, Jonathan Irving Lunine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Queloz, Christophe Sotin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation des données (informatique)

Enthalpie libre

Astrogéologie

Planètes telluriques

Géophysique

Exoplanètes

Mots clés libres

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Résumé

La modélisation d'intérieurs exoplanétaires fait le lien entre deux domaines : la détection et caractérisation d'exoplanètes, en plein essor avec le lancement de nouvelles missions telles que PLATO ou CHEOPS, et la géophysique, permettant l'étude des corps du système solaire à travers missions spatiales et expériences en laboratoire. Nous avons développé un modèle de structure interne dédié aux planètes telluriques décrites par un noyau métallique, un manteau rocheux, et une enveloppe d'eau, permettant ainsi de considérer un grand nombre de compositions planétaires. En appliquant ce modèle à des exoplanètes validées nous confirmons que, au-delà d'une meilleure précision sur les paramètres fondamentaux de ces corps (masse et rayon), la composition de l'étoile hôte est utile pour contraindre celle de la planète, et ainsi progresser vers une caractérisation complète de cette dernière. L'amélioration du modèle se concentre sur plusieurs aspects, tout d'abord par la sélection de la meilleure équation d'état permettant d'extrapoler les données terrestres au domaine des super-Terres. Une modélisation détaillée des matériaux planétaires est implémentée, permettant de reproduire la chimie complexe du manteau, et de prendre en compte la présence d'éléments légers dans le noyau. Ces améliorations permettent au modèle d'avoir la précision nécessaire pour dériver des contraintes sur l'intérieur de planètes du système solaire, qui peuvent ensuite être reportées sur les familles d'exoplanètes correspondantes. L'objectif de ce travail est ainsi d'améliorer notre compréhension de l'importante diversité des mondes extrasolaires, au niveau de leur dynamique, formation, et composition

Modeling exoplanetary interiors draws a link between two domains: the detection and characterization of exoplanets, in the context of upcoming missions like PLATO or CHEOPS, and geophysics, with the study of solar system bodies from space missions and laboratory experiments. We have developed a model of internal structure for terrestrial exoplanets describing a metallic core, a silicate mantle, and a water envelope – to span a large range of planetary compositions. Applying this model to confirmed cases strengthens the fact that, beyond the precision on an exoplanet's fundamental parameters (mass and radius), the host star's elemental composition is useful to constrain that of the planet, and thus to progress towards its full characterization. Improving the model goes through several aspects, first by selecting the most appropriate equation of state for extrapolating the Earth's data to the domain of super-Earths. A detailed modeling of the materials is implemented, through the use of a Gibbs free-energy minimization code to describe the mantle's complex chemistry, but also with the incorporation of light elements in the metallic core. This gives the model the precision needed to infer constraints on the interior of solar system bodies, which can then be projected to exoplanet families. The purpose of this work is to better apprehend the vast diversity of exoworlds in terms of dynamics, formation, and composition