Etude dynamique des exoplanètes et des disques de débris révélés par SPHERE

Dynamical study of the exoplanets and debris disks revealed by SPHERE

• Auteur / Autrice : Laetitia Rodet
• Direction : Hervé Beust, Mickaël Bonnefoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 03/09/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Carine Babusiaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Charles Augereau, Beth Biller, Anne-Marie Lagrange, Markus Janson, Dong Lai
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Aurélien Crida, Matthew Kenwothy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Planètes -- Orbites

Simulation, Méthodes de

Exoplanètes

Mots clés libres

Exoplanètes

Disques de débris

Mécanique céleste

Simulations symplectiques N-Corps

Exoplanets

Debris disks

Celestial dynamics

Symplectic N-Body simulations

Résumé

Plusieurs décennies après l'identification des premiers disques de débris et des exoplanètes, les mécanismes de formation et d'évolution des systèmes planétaires sont encore loin d'être élucidés. Les récents progrès de l'imagerie directe à haute résolution et haut contraste, illustrés par les instruments VLT/SPHERE et Gemini/GPI, nous permettent désormais de révéler et d'étudier en détail l'architecture externe (> 5 ua) des systèmes extrasolaires jeunes (< 200 Myr), à un âge où les interactions dynamiques sont encore fréquentes. Mon travail de thèse apporte un éclairage sur l'origine et les mécanismes d'évolution dynamique des systèmes planétaires à travers l'étude détaillée de systèmes clefs résolus par SPHERE et le développement d'outils de modélisations dédiés.La première partie de ce manuscrit aborde l'étude dynamique via les simulations N-corps. De nombreux algorithmes ont été proposés et implémentés, avec des choix de compromis différents sur leur vitesse, leur précision et leur polyvalence. Parmi ces algorithmes, SWIFT HJS permet de modéliser des architectures très différentes de notre Système Solaire sur des temps séculaires. C'est donc un outil essentiel pour étudier l'influence des planètes massives, naines brunes et compagnons stellaires souvent rencontrés en imagerie directe. Durant ma thèse, les fonctionnalités de l'algorithme ont été étendues pour pouvoir modéliser les changements de hiérarchie et les rencontres proches, des aspects de la mécanique orbitale qui ont souvent un rôle crucial dans l'histoire dynamique des systèmes planétaires. Ce code a notamment été utilisé pour étudier en profondeur l'énigmatique système HD 106906 et les différentes interactions entre ses principaux composants (binaire, planète, disque de débris). Dans la deuxième partie du manuscrit, j'introduis la problématique de l'ajustement orbital. Si l'observation d'un système à différentes époques permet théoriquement de retrouver les caractéristiques de son orbite, le problème peut se révéler complexe et dégénéré, en particulier quand le temps d'observation est insuffisant pour correctement échantillonner l'orbite. L'approche statistique la plus couramment adoptée, le MCMC, permet d'obtenir des estimations fiables dans la plupart des cas. Ces estimations sont ensuite exploitées pour étudier l'histoire et la stabilité du système et les interactions entre les orbites et leur environnement, notamment les disques. Ce rôle de l'ajustement orbital est ici illustré dans les études de plusieurs systèmes de référence, imagés par SPHERE.

Several decades after the discovery of the first debris disks and exoplanets, lots of questions remain regarding the mechanisms of formation and evolution of planetary systems. The recent progress of high-resolution high-contrast direct imaging, illustrated by the instruments VLT/SPHERE and Gemini/GPI, enables to unveil the outer architecture (> 5 au) of young (< 200 Myr) extrasolar systems when the dynamical interactions are frequent. This work sheds light on the origin and dynamical evolution mechanisms of planetary systems through the detailed study of key systems resolved with SPHERE and through the developing of dedicated tools.The first part of this manuscript tackles the subject of N-body simulations. Numerous algorithms have been proposed and implemented, with different compromises on their speed, accuracy, and versatility. Among these algorithms, SWIFT HJS allows us to model for secular times architectures that are very different from our Solar System. It is thus an essential tool to the study of planetary to stellar companions with non-negligible mass ratio, which are often encountered with direct imaging. Within my Ph.D., the functionalities of the algorithm were extended to handle hierarchy changes and close encounters, which can play an important part in the dynamical history of planetary systems. The code was used to study in detail the mysterious system HD 106906, in particular, the interactions between its main components (binary star, planet, debris disk).In the second part of the manuscript, I introduce the subject of orbital fitting. The observation of a system at different epochs allows theoretically to retrieve the characteristics of the orbits. However, the problem is often complex and degenerate, in particular when the observations span a small fraction of the orbital period. The widely used MCMC statistical approach enables to get robust estimates in most of the cases. These estimates are then used to study the history and stability of the system, and the interactions between the orbits and their environment, notably the disks. This role of orbital fitting is here illustrated by the study of several benchmark systems imaged with SPHERE.