Resolved spectroscopy of debris disks with SPHERE/VLT

par Trisha Bhowmik

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Anthony Boccaletti.

Le président du jury était Françoise Roques.

Le jury était composé de Anthony Boccaletti, François Ménard, Paul Kalas.

Les rapporteurs étaient François Ménard, Paul Kalas.

  • Titre traduit

    Spectroscopie résolue de disques debris avec SPHERE/VLT


  • Résumé

    Les disques de débris sont présents autour de nombreuses jeunes étoiles de la séquence principale. Ils se caractérisent par un environnement poussiéreux, dépourvu de gaz, par opposition à des disques protoplanétaires riches en gaz. Les disques de débris sont également considérés comme des «disques secondaires» car ils sont constitués de grains de poussière non primordiaux générés par des collisions continues de planétésimaux. Des observations récentes dans le sub-millimètre ont apporté des preuves convaincantes qu’une quantité significative de gaz peut être présente dans certains de ces disques.L'imagerie à haut contraste et à haute résolution s'est révélée très efficace pour observer les disques de débris et résoudre leurs structures morphologiques, en traçant la distribution des petits grains de poussière. L'imagerie en lumière diffusée dans le proche infrarouge permet de mesurer la distribution d'intensité dans le disque, qui est liée aux propriétés des grains. L’intensité du disque varie différemment en intensité totale et en intensité polarisée. Il est donc nécessaire d’utiliser les deux méthodes pour mieux contraindre les caractéristiques de la poussière.Compte tenu des avantages de l’imagerie à haut contraste, j’ai cherché à étudier des images de disques de débris obtenues en lumière diffusée par l’instrument SPHERE (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research), installée au VLT au Chili. Pour obtenir une image en intensité total d’un disque à partir d’une observation coronographique en optique adaptative dans laquelle les résidus stellaires sont réduits, on utilise généralement les techniques d'imagerie différentielle angulaire (ADI) et d'imagerie différentielle polarimétrique (PDI), mais celles-ci peuvent engendrer une auto-soustraction qui doit être corrigée pour retrouver la vraie photométrie. Afin de modéliser les disques de débris, j'ai utilisé un module de transfert radiatif, GRaTer. Ces images synthétiques sont traitées selon une technique de post-traitement identique aux données, ce qui permet de contraindre la morphologie du disque et la distribution des grains. Le but de ma thèse est d'interpréter les variations spectrales et temporelles des disques de débris, à la fois en termes de morphologie et de distribution des grains, pour mieux comprendre la formation de planétaire. Pour ce faire, j'ai étudié la morphologie du disque de débris HD32297 et j’ai développé un modèle reproduisant la distribution de densité et d'intensité du disque. Ce modèle a ensuite été utilisé pour mesurer la luminosité de surface et la réflectance moyenne du disque. La réflectance moyenne a ensuite été comparée à un spectre théorique obtenu pour une distribution de taille de grains et pour différentes compositions de grains. L'ajustement des spectres en réflectance moyenne a fourni un résultat important, indiquant que la taille de grain minimale est bien inférieure à la taille de « blow-out », indépendamment de la composition du grain. Plusieurs explications sont possibles pour expliquer la présence de grains submicrométriques: cascade collisionnelle en régime permanent, mécanisme d'avalanche de collisions et drainage par le gaz lié à la présence d'une grande quantité de gaz dans ce disque de débris. Dans la suite de la thèse je reproduit ce travail pour l’étude des disques de débris HD106906 et HD141569 en intensité totale. Pour HD106906, l'asymétrie du flux visible entre les deux côtés du disque a été modélisée. Pour HD141569, en utilisant la photométrie d’ouverture, j’ai effectué une analyse spectrale d’une structure du disque que je compare à la partie sud du disque interne. En perspective, ce travail permettra une analyse plus systématique des nombreuses observations multi-longueurs d'onde obtenues en imagerie haut contraste de disques de débris afin de comprendre l'évolution des grains vers les planètes.


  • Résumé

    Debris disks are found around many young main-sequence stars. They are characterized by the dusty, gas-depleted environment as opposed to gas-rich protoplanetary disks. Debris disks are also considered as `secondary disks' because they bear non-primordial dust grains which are constantly generated by continuous collisions of planetesimals. Recent observations in the sub-millimeter have shown compelling evidence that a significant amount of gas can be present in some of these disks.High-contrast and high-resolution imaging have proven to be very effective to observe debris disks and to resolve their morphological structures, tracing the distribution of the small dust grains. Scattered light imaging in the near-infrared can measure the intensity distribution of the disk, which is related to the grain properties. The disk intensity varies differently in total intensity imaging and polarimetric imaging so it is necessary to use both to better constrain dust characteristics.Considering the advantages of high-contrast imaging, I aimed to study the scattered light images of debris disks obtained by one such instrument, the Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research (SPHERE) which is installed at the VLT in Chile. To obtain a post-processed intensity image with reduced stellar residuals in a post-adaptive optics coronographic observation, the angular differential imaging (ADI) and polarimetric differential imaging (PDI) techniques are usually performed but imply self-subtraction which must be corrected for to recover true photometry. In order to model debris disks, I used a radiative transfer module, GRaTer and processed disk synthetic images through equivalent post-processing technique as the data, from which the morphology of the disk and its grain-size distribution is constrained.The goal of my thesis is to interpret spectral and temporal variations of debris disks, both in terms of their morphology and grain-size distribution to finally understand planet formation. To achieve this I studied the morphology of the debris disk HD32297 and developed a model mimicking the density and intensity distribution of the disk. This model then was used to retrieve the surface brightness and average reflectance of the disk. The average reflectance was then compared to a spectrum obtained from analyzing the particle size distribution within the disk for different grain compositions. Fitting the spectra to the average reflectance provided an important result, which indicated that the minimum grain size is well below blow-out size independent of the grain composition. The possible explanations which were looked into for the presence of sub-micron grains are a combination of a steady-state collisional cascade, collisional avalanche mechanism and gas drag due to the presence of a large quantity of gas in this debris disk. In second part of the thesis I applied similar work to debris disk HD106906 and HD141569 in total intensity. For HD106906 the visible flux asymmetry between the two sides of the disk was modeled and resolved and for HD141569 using aperture photometry a spectral analysis of the particular structure compared to the full southern part of the inner disk was performed. In perspective, this work will open a more systematic analysis of the many multi-wavelength observations obtained with high-contrast imaging of debris disks in order to understand the evolution of grains to planets.


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