Ab initio simulations of MgO and MgSiO3 for planetary modelling

par Riccardo Musella

Thèse de doctorat en Astronomie et astrophysique

Sous la direction de Stéphane Mazevet et de François Guyot.

Soutenue en 2016

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....) , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019) (autre partenaire) .

mots clés

• Super-terres
• Silicate de magnésium
• Exoplanètes
• Physique de l'atmosphère
• Modèles mathématiques
• Magnésie
• Fer
• Pérovskite

Résumé

Les intérieurs des exoplanètes représentent un domaine au carrefour de la planétologie, de la physique des hautes pressions et de l'astronomie. Les observations semblent indiquer que les planètes rocheuses sont les plus nombreuses. Cependant, avec les technologies actuelles, les planètes de type-Terre sont encore difficilement détectables et seuls de nouveaux programmes scientifiques pourront atteindre la précision nécessaire permettant obtenir un échantillon non biaisé de planète de type Terre. À present, les exoplanètes les plus similaires à la Terre sont presque toutes des planètes rocheuses massives, appelées super-Terres. Dans ce travail, nous avons étudié les composés MgO, MgSiO3 et Fe qui constituent les intérieurs des super-Terres et probablement les coeurs des planètes géantes. Recréer en laboratoire les conditions thermodynamiques que l'on rencontre à l'intérieur de ces corps représente un vrai défi. Dans certains cas, le seul outil disponible est fourni par les simulation numériques. Nous avons utilisé la dynamique moléculaire ab initio sur les composés MgO (jusqu'à —10 TPa) et MgSiO3 (jusqu'à —2 TPa) afin d'obtenir leurs équations d'état, courbe de fusion, métallisation etc. . . Pour Fe nous avons utilisé la dynamique moléculaire sans orbitales afin d'étendre la courbe de fusion jusqu'à —100 TPa. Les résultats que nous avons obtenus pourront donc être utilisés dans le futur pour construire des modèles de planètes plus précis. Les courbes de fusion calculées dans ce travail auront également un fort impact sur les modèles planétaires.

Titre traduit

Simulations ab initio planétaires de MgO et MgSiO3 pour les modèles planétaires

Résumé

The interiors of exosolar planets represent a new fertile field at the interface of planetary science, high pressure physics and astronomy. The observations seem to indicate that rocky planets are the most numerous. Nevertheless, with the current technology, Earth-like planets are still hardly detectable and only new scientific programs could bring enough accuracy to obtain an unbiased sample of Earth-like objects. At present time, the characterized exoplanets more similar to the Earth are massive rocky planets, dubbed super-Earths. In this thesis, we have studied MgO, MgSiO3 and Fe compounds which are the main constituents of the deep interiors of massive rocky planets and possibly of cores of giant planets. The thermodynamic conditions inside these objects are very challenging to reproduce in laboratory; numerical simulations are sometimes the only available tool to explore the phase diagram of the minerais at such extreme conditions. We used ab initio molecular dynamics to provide data on MgO (up to pressure -10 TPa) and MgSiO3 (up to pressure -2 TPa) such as the equation of state, the melting line, the metallization etc. . . For Fe we used the orbital free molecular dynamics in order to extend the iron melting line up to -100 TPa. Our ab initio EOS tables obtained for MgO and MgSiO3 could be used to improve the models of massive exoplanets including aspects such as the influences of phase transitions, of time-evolution and a complete description of the thermal state. Also, the melting lines calculated for MgO, MgSiO3 and Fe may have a strong impact on these models. What language could be considered as their own? For them, when did French cease to be a foreign language ? More generally, what remains of an author who has chosen to express himself in another language?