Formation d'étoiles : étude dynamique de la poussière interstellaire

Star formation : Dynamical study of interstellar dust

• Auteur / Autrice : Ugo Lebreuilly
• Direction : Benoît Commerçon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Astrophysique
• Date : Soutenance le 24/09/2020
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec 160413702
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Rolf Walder
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Commerçon, Rolf Walder, Geoffroy Lesur, Romain Teyssier, Sylvie Cabrit, Anaëlle Maury
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Geoffroy Lesur, Romain Teyssier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chondres

Magnétohydrodynamique

Étoiles

Analyse numérique

Disques protoplanétaires

Poussière cosmique

Formation stellaire

Mots clés libres

Étoiles -- Formation

Poussière interstellaire

Magnétohydrodynamique

Disques protoplanétaires

Analyse numérique

Étoiles

MHD

Chondrules

Star — Formation

Interstellar dust

Magnetohydrodynamics

Protoplanetary disks

Numerical analysis

Stars

MHD

Chondrules

Résumé

Le milieu interstellaire se compose, en masse, d'environ 1% de poussière. Paradoxalement,malgré sa faible concentration, celle-ci un rôle très important dans la formation stellaire. La dynamique des grains de poussière peut différer de celle du gaz, entrainant des variations locales de concentration. Peu de travaux ont pourtant été consacrés à l'étude de cette dynamique différentielle lors de la formation stellaire. Ma thèse s'inscrit dans l'objectif de pallier ce manque et se décompose en quatre parties.Dans la première partie, je développe un module traitant efficacement la dynamique des poussières et pouvant simultanément inclure plusieurs espèces de grains pour le code multidimensionnel sur grille adaptative RAMSES (Teyssier 2002). Je teste ensuite mon module avec soin en comparant mes résultats à des solutions analytiques. Je montre par ailleurs que mon implémentation est robuste, précise et rapide.Par la suite j'effectue des simulations de formation d'étoiles incluant plusieurs espèces de poussières. Grâce à cette étude, j'établis qu'un découplage entre les grains et le gaz apparaît pour les grains d'une taille supérieure ou équivalente à la centaine de micromètres. Je trouve également que ce découplage dépend fortement des propriétés initiales du coeur préstellaire.Ensuite, je développe un formalisme analytique, similaire à la magnétohydrodynamique non idéale, mais incluant en plus la dynamique des grains chargés. Ce formalisme me permet de mettre en évidence sept différents régimes de couplage entre les grains, le champ magnétique et le gaz, selon la taille des grains, leur charge et leur environnement.En parallèle, j'étudie la dynamique des poussières dans les zones faiblement ionisées des disques protoplanétaires afin d'étudier la formation des chondrules. Ce sont des grains de poussière retrouvés dans la majorité des météorites et qui sont des éléments clés pour la compréhension de la formation des disques et des planètes.

The interstellar medium is composed by approximately 1% of dust in terms of mass. Surprisingly, this tiny amount of dust already plays a very important role in stellar formation. The dynamics of dust grains may differ from that of the gas particles, leading to local variations in concentration. However, very few studies have focused on the gas and dust differential dynamics during star formation. My thesis aims to fill this gap and is divided into four parts. In the first part, I develop a module dealing efficiently with dust dynamics that can simultaneously include multiple grain species intended to the multidimensional adaptive grid code RAMSES (Teyssier 2002). I then carefully test my module by comparing my results with known analytical solutions. I also show that my implementation is robust, fast and accurate. Then I perform star formation simulations that consider multiple dust species. This study establishes that a decoupling between the dust and the gas appears for grains of sizes larger or equivalent to a hundred micrometers. I also find that this decoupling depends strongly on the initial properties of the prestellar core. Then, I develop an analytical formalism, similar to the non-ideal magnetohydrodynamics but that includes the dynamics of charged grains. This formalism allows to highlight seven different coupling regimes between the grains, the magnetic field and the gas as a function of the grain size, its charge and its environment. In parallel, I investigate the dynamics of dust in the weakly ionized zones of protoplanetary disks in order to study the formation of chondrules. Chondrules are dust grains found in most meteorites and are key to understand the formation of disks and planets.