Accrétion du gaz sur planètes géantes

Gas accretion onto giant planets

• Auteur / Autrice : Judit Szulágyi
• Direction : Alessandro Morbidelli, Aurélien Crida
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 19/11/2015
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Lopez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alessandro Morbidelli, Aurélien Crida, Bruno Lopez, Gennaro D'Angelo, Richard P. Nelson, Yann Alibert, Stéphane Guilloteau, Michael R. Meyer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Gennaro D'Angelo, Richard P. Nelson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planètes -- Origines

Planétologie

Astrophysique

Mots clés libres

Astrophysique

Planétologie

Formation des planètes

Astrophysics

Planetary science

Planet formation

Résumé

Le sujet de cette thèse est la phase d'accrétion emballée du gaz lors de la formation des planètes géantes, au moyen de simulations hydrodynamiques. Une planète de la masse de Jupiter est simulée au sein d'un disque circumstellaire autour d'une étoile de masse solaire. Grâce aux grilles emboitées du code JUPITER, le voisinage de la planète est résolu suffisamment pour étudier le disque circumplanétaire. Des simulations 3D localement isothermes révèlent que l'accrétion est un processus fondamentalement tridimensionnel, avec 90% du gaz accrété verticalement à travers le sillon ouvert par la planète, via une circulation méridienne entre les disques circumstellaire et circumplanétaire. Le taux d'accrétion est mesuré à partir de simulations sans viscosité, en accord avec les conditions qui règnent dans l'environnement planétaire. On trouve que Jupiter doublerait sa masse en un demi million d'années durant cette phase emballée, ce qui est similaire au temps de dispersion du disque, et pourrait donc expliquer la rareté des exoplanètes très massives (plus de 3 masses de Jupiter). En ajoutant les effets thermiques au code Jupiter, nous avons réalisé des simulations radiatives, avec des températures plus réalistes. Celles-ci montrent que la température de la planète influence fortement les propriétés de la matière circum-planétaire : même une planète assez massive pour ouvrir un sillon ne peut former qu'une enveloppe planétaire supportée par la pression si sa température est élevée (~13000 K), comme une planète de faible masse. Au contraire, dans les simulations où la température au voisinage de la planète est bornée à 1000-2000 K, un disque circum-planétaire se forme.

This thesis is focusing on the runaway gas accretion phase of giant planet formation with hydrodynamic simulations. A Jupiter-mass planet is simulated embedded in a circumstellar disk around a Solar-mass star. Thanks to the JUPITER-code nested meshing technique, the planet vicinity is resolved with high resolution allowing to study the circumplanetary disk formed around the giant planet. Isothermal, 3-dimensional simulations revealed that the accretion is truly 3D process, with 90% of the gas accreted from the vertical direction through the planetary gap. This vertical influx is part of a meridional circulation between the circumstellar and circumplanetary disks. The accretion rate to planet was determined from inviscid simulation, in order to account for the presumably low viscosity environment in the forming planet’s vicinity. In this inviscid limit, the mass doubling time in the runaway phase can be as long as half a million years, competing with the gas dispersal timescale, hence providing a possible solution for the missing population of massive (>3 Jupiter-mass) giant planets. Incorporating the thermal effects into the JUPITER-code, radiative simulations with more realistic temperature information were carried out as well. These simulations revealed that the planetary temperature greatly determines the properties of the circumplanetary material. Even a gap-opening giant planet could only form a circumplanetary, pressure-supported envelope, if the planet temperature is high (~13,000 Kelvin), similarly to low-mass planets. In contrary, in the simulations were the central temperatures were capped at 1000-2000 Kelvins, circumplanetary disks were formed.