Vents magnétiques et disques de transition

Magnetised winds in transition discs

• Auteur / Autrice : Étienne Martel
• Direction : Geoffroy Lesur
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilués
• Date : Soutenance le 27/09/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Jonathan Ferreira
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Barbara Ercolano, Guillaume Laibe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Héloïse Meheut, Oliver Gressel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul intensif (informatique)

Disques protoplanétaires

Magnétohydrodynamique

Mots clés libres

Simulations numériques

Vents magnétohydrodynamiques

Disques de transition

Disques protoplanétaires

Disques d'accrétion

Calculs haute performance

Numerical simulations

Magnetohydrodynamic winds

Transition discs

Protoplanetary Discs

Accretion Discs

High performance computing

Résumé

Les étoiles et les planètes se forment lors de l'effondrement gravitationnel de gigantesques nuages moléculaires. Au cours d'un effondrement, un coeur dense entouré d'une enveloppe de matière apparaît. Du fait de la conservation du moment cinétique, le gaz environnant s'organise sous la forme d'un disque protoplanétaire. Le système solaire étant dépourvu d'un tel disque, on en conclut qu'il doit disparaître (en quelques millions d'années), une fois que l'essentiel de sa masse a été accrétée par son étoile hôte. En conséquence, les disques protoplanétaires font partie d'une classe d'objets plus large : les disques d'accrétion.Les disques protoplanétaires abritent la formation planétaire, ce qui en fait des objets particulièrement étudiés et observés. Ces disques sont essentiellement composés de gaz sous la forme d'un plasma froid et magnétisé et d'environ 1% de poussière. Certains d'entre eux se distinguent par la présence d'une cavité interne dans leur profil de densité de poussière, il s'agit des disques de transition. La taille de ces cavités est variable, s'étendant de quelques UA à la centaine d'UA. Tout comme le profil de densité de poussière, la répartition du gaz présente également une cavité. La formation de tels disques reste encore assez méconnue.La faible densité de matière dans la cavité suggère une accrétion affaiblie dans cette région. Cependant, de nombreuses observations rendent comptent de forts taux d'accrétion impliquant une vitesse d'accrétion très élevée. Par ailleurs, certains disques de transition présentent des cavités très étendues. Ces propriétés remettent en question le modèle visqueux standard d'évolution des disques protoplanétaires.La présence de vents magnétiques, lancés via le mécanisme de Blandford et Payne, pourrait rendre compte de ces observations. En effet, de tels vents peuvent prélever le moment cinétique du disque et permettre à la matière de tomber rapidement sur l'étoile. Ce changement de paradigme est prometteur puisqu'il pourrait expliquer l'existence de disques de transition accrétant fortement.Le travail que j'ai conduit en thèse consiste à étudier un modèle de disque de transition munis de vents magnétiques via des simulations numériques globales en magnétohydrodynamiques non-idéale avec le code PLUTO.La fraction d'ionisation des disques de transition a une structure similaire à celle des disques pleins, ainsi la diffusion ambipolaire est l'effet non-idéal prépondérant dans mes simulations. J'initialise ces dernières avec un champ magnétique vertical continu et une cavité imposée à la main.Un premier jeu de simulations 2.5D m'a permis de montrer la stabilité du modèle. De plus, les couples magnétiques enclenchent une accrétion rapide dans la cavité avec un taux d'accrétion considérable. Ces simulations permettent d'étudier efficacement l'évolution séculaire du disque, notamment vis-à-vis du transport de champ magnétique.J'ai également effectué des simulations 3D pour étudier la stabilité de la cavité vis-à-vis d'instabilités magnétohydrodynamiques. Il s'avère que des spirales se forment dans cette dernière, avec des vitesses de rotation constante en fonction du rayon. La structure générale de la cavité est de plus tout à fait similaire à celle des disques MAD dans le contexte des trous noirs.Enfin j'ai étudié plus en détail l'évolution séculaire, sur 300 000 orbites au bord interne. J'ai ainsi mis en évidence l'existence de plusieurs régimes de transport de champ (diffusion et advection), le flux magnétique de la cavité s'intensifiant au cours du temps.J'ai réalisé les premières simulations de disques de transition soutenus par des vents magnétiques, présentant une cavité en rotation sous-képlérienne traversée par un flot de gaz supersonique. Ces prédictions cinématiques m'ont permis de construire des observations synthétiques, déterminantes dans le but de comparer simulations et observations.

The formation of stars and planets occurs during the collapse of gigantic molecular clouds. A dense core appears at the center of the collapsing cloud, surrounded by an enveloppe of infalling gas. Because of the conservation of angular momentum, the remnants of the neighbouring matter shape themselves into a protoplanetary disc (PPD). Considering the solar system, PPDs disappear in a few million years after most of their mass concentrated in the central star. This last property makes PPDs being part of a more general class of objects known as accretion discs.Protoplanetary discs are thought to be the birth cradle of planets and are therefore extensively studied. They are cold and magnetised objects among which stand the transition discs (TDs). These peculiar PPDs are characterised by a dust cavity in their inner regions and centred onto the host star, whose typical widths vary from a few AU up to a few hundreds AU. Interestingly, not only are such cavities seen in the dust profiles of TDs, but they are also detected in their gas density profiles. However, the formation of these objects remains yet unexplained.A striking observation states that despite their diminished surface density profile, TDs accrete at a rate similar to the accretion rates of full PPDs, suggesting a fast inward motion of matter in their cavity. This result deeply challenges the current evolutionary model of PPDs. Moreover, TDs are observed with very large cavities together wit h strong accretion rates. The combination of these properties questions the viscous model of PPDs.A possible explanation for these high accretion rates is the presence of magnetised winds launched with the Blandfold & Payne mechanism. Such winds can efficiently remove angular momentum from the disc, which allows matter to fall down onto the star at high radial velocity. This paradigm shift from the viscous model to magnetic wind outflows in PPDs is promising as the fast-accreting cavities of TDs could be sustained by a magnetic wind.My thesis is devoted to the study of TDs harbouring magnetic winds with global non-ideal magnetohydrodynamics numerical simulations with the PLUTO code.The ionisation fraction of TDs is similar to the one calculated in full discs, so that ambipolar diffusion is the main non-ideal effect at stake. I simulated TDs with an initial vertical magnetic field and a cavity in the initial density profile.With a set of 2.5D simulations, I showed that TDs with magnetic winds are long lived and stable discs. The magnetic torques in the cavity trigger a fast radial motion of the gas, hence a strong accretion rate. 2.5D simulations enable to catch the secular evolution of the disc and especially the transport of magnetic field in the disc.I also studied 3D simulations to check the stability of the cavity edge under various instabilities. I detected the formation of spirals inside the cavity rotating at a constant speed with respect to the radius. Additionally, the structure of the cavity shares similarities with magnetically arrested discs (MADs).Finally, I studied the secular evolution of a TD on a very long period of time (300 000 orbits at the internal radius). I showed that the magnetic field transport had a complex behaviour in the disc, encountering diffusion as well as advection phases. The flux of the magnetic field eventually intensities in the cavity sustaining the disc for long period of time.I performed the first simulations of transition discs sustained by magnetic winds. This model needs to be related to observations and kinematics predictions are a good properties to test. In particular, my work shows that the cavity is sub-keplerian and threaded by a transsonic accretion flow. I could eventually compare my simulated discs to observations by building some synthetic images, which proved promising.