Ondes gravito-inertielles dans les étoiles et les planètes géantes : propagation, dissipation et échanges de moment cinétique

Gravito-inertial waves in stars and giant planets : propagation, dissipation and angular momentum transport

• Auteur / Autrice : Quentin André
• Direction : Stéphane Mathis, Allan Sacha Brun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 19/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Charnoz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Mathis, Allan Sacha Brun, Sébastien Charnoz, Philippe Stee, Michael Le Bars, Isabelle Baraffe, Marie-Jo Goupil, Laurent Gizon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Stee, Michael Le Bars

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Convection (astrophysique)

Ondes -- Propagation

Supergéantes

Évolution stellaire

Étoiles -- Rotation

Planètes externes

Hydrodynamique

Mots clés libres

Interactions de marées

Hydrodynamics

Modelisation

Numerical simulation

Waves

Convection

Giant planets

Tides

Stars -- Rotation

Stars -- Evolution

Massive stars

Résumé

Les ondes internes gravito-inertielles sont des ondes se propageant dans les milieux fluides stablement stratifiés en rotation. Leurs forces de rappel sont la poussée d'Archimède et l'accélération de Coriolis. Elles sont capables de redistribuer de l'énergie et du moment cinétique du fait de leur dissipation et de leur possible déferlement non-linéaire, jouant ainsi un rôle crucial dans l’évolution dynamique des corps dans lesquels elles se propagent. Dans cette thèse, nous nous attachons à caractériser leur propagation, leur amortissement et les échanges de moment cinétique qu’elles induisent, dans les environnements complexes que sont les intérieurs stellaires et de planètes géantes.Au sein des planètes géantes, nous étudions la propagation et la dissipation d’ondes gravito-inertielles de marée, dans une région de convection stratifiée susceptible de se développer proche du cœur. Nous nous intéressons tout d’abord à leur propagation libre et nous montrons qu’une onde incidente sur une telle région est efficacement transmise à condition qu’elle soit résonante avec un de ses modes propres. Sinon, l’onde est réfléchie et ne pénètre pas dans les régions plus profondes de la planète. Ensuite, nous étudions numériquement la dissipation de marée induite lorsque ces ondes sont excitées par un forçage gravitationnel dû à la présence d’un satellite. Nous montrons que le taux de dissipation de marée est en moyenne augmenté par rapport à un milieu purement convectif. Les contributions les plus importantes à cette augmentation proviennent de la dissipation des ondes gravito-inertielles résonantes avec les modes propres de la région de convection stratifiée, qui sont aussi celles qui sont efficacement transmises. Ces résultats sont compatibles avec les hauts taux de dissipation de marée récemment observés dans Jupiter et Saturne.Dans les zones radiatives des étoiles, nous présentons en premier lieu une étude semi-analytique linéaire de l’influence de la rotation globale et différentielle, sur le transport de moment cinétique induit par la dissipation des ondes gravito-inertielles. Dans un modèle équatorial, nous montrons que la rotation a pour effet l’augmentation de la dissipation thermique des ondes. Celle-ci est particulièrement significative dans leur région d’excitation, modifiant ainsi le dépôt de moment cinétique. Nous montrons que cet effet se révèle d’autant plus efficace que l’étoile est jeune et massive. En parallèle de ce travail semi-analytique, cette thèse s’est attachée à développer un modèle 3D non-linéaire ab initio d’une étoile massive couplant le coeur convectif à une enveloppe radiative étendue, sous l’influence de la rotation. L’analyse détaillée de simulations numériques à haute performance, réalisées avec le code ASH, nous a permis de caractériser les propriétés du spectre d’excitation des ondes et des modes résonants qui s’établissent dans l’enveloppe radiative. Proche de la surface de l’étoile, nous montrons que les ondes peuvent atteindre une amplitude suffisante pour interagir de manière significative avec la rotation différentielle. Simultanément, nous y examinons le possible déferlement non-linéaire des ondes. Ce travail numérique offre de nouveaux outils d’interprétation en lien avec les observations sismiques des étoiles, en synergie avec la théorie linéaire des oscillations stellaires.

Internal gravito-inertial waves propagate in rotating and stably stratified fluids, where they are restored by buoyancy and by the Coriolis acceleration. They are able to redistribute energy and angular momentum thanks to their dissipation and eventually their nonlinear breakdown. They thus play a key role in the dynamical evolution of celestial bodies in which they propagate. We focus our work on their propagation, dissipation and the angular momentum transport they induce in giant planet and stellar interiors.In a first part devoted to giant planet interiors, we study the propagation and dissipation of tidal gravito-inertial waves in a region of layered semi-convection. We first focus on their free propagation and show that an incident wave upon such a region is efficiently transmitted provided that it resonates with a free mode of the structure. Otherwise, the wave is reflected and does not penetrate in deeper regions of the planet. Then, we present the results of a numerical code designed to study the tidal dissipation of those waves when they are excited by the gravitational forcing of a satellite. We show that the frequency-averaged tidal dissipation rates are enhanced compared to a fully convective medium. Thus, layered semi-convection could contribute towards explaining the high tidal dissipation rates observed in Jupiter and Saturn, which have not yet been fully explained by theory.In a second part devoted to stellar radiative zones, we first present a semi-analytical study of the influence of global and differential rotation on the angular momentum transport induced by the dissipation of gravito-inertial waves. In an equatorial model, we show that the wave thermal damping is enhanced by rotation, in particular close to their excitation region. Consequently, the angular momentum transport throughout the radiative zone is impacted. We demonstrate that this effect is more efficient for younger and more massive stars. In parallel of this work, we describe new 3D nonlinear simulations of a massive star including the coupling between the convective core and the extended radiative envelope, while taking into account rotation, nonlinear terms and thermal processes. We characterize the properties of the wave excitation spectrum and of the standing modes that develop in the radiative zone. Then near the surface of the star, we show that internal waves reach a sufficiently high amplitude to significantly interact with the differential rotation. Simultaneously, we examine the possibility of their nonlinear breakdown. This numerical work offers new diagnostic tools in close relationship with the seismic observations of stars, and in synergy with the linear theory of stellar oscillations.