Vers la détection de planètes à courte période enfouies dans les disques circumstellaires des étoiles jeunes

Towards the detection of short period planets embedded in the circumstellar disk of young stars

• Auteur / Autrice : Kim Pouilly
• Direction : Jérôme Bouvier, Evelyne Alecian
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 13/09/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Catherine Dougados
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Morin, Antonio Frasca, Nadège Meunier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Moutou, René Oudmaijer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Étoiles de type T Tauri

Disques protoplanétaires

Mots clés libres

Accrétion magnétosphérique

Interaction etoile-Disque-Planètes

Etoiles T Tauri

Magnetospheric accretion

Star-Disk-Planets Interaction

T Tauri stars

Résumé

Le but de ma thèse est d’aller vers la détection de protoplanètes à courte période dans les régions internes du disque des étoiles T Tauri classiques. En effet, la récente détection d’une planète de type Jupiter proche d’une étoile jeune amène la possibilité d’une formation proche de l’étoile dans les régions internes du disque. Cependant, cette région est également la place des interactions étoile-disque, en particulier de l’accrétion magnétosphérique, dont les signatures observationnelles masquent le signal planétaire. Mon objectif est donc de caractériser complètement les signatures relatives à ce phénomène afin de pouvoir étudier les signatures résiduelles.Les étoiles T Tauri classiques sont des objets jeunes, dit pré-séquence principale, accrétant de la matière de leur disque circumstellaire interne. Ces étoiles sont connues pour posséder un fort champ magnétique capable de tronquer leur disque au rayon magnétosphérique et de contrôler l’accrétion de la matière sur l’objet central. Ce phénomène s’appelle « accrétion magnétosphérique ». En effet, la pression magnétique exercée au rayon magnétosphérique est telle qu’elle va forcer la matière à quitter le plan du disque pour former des colonnes d'accrétion le long des lignes de champ jusqu'à des régions localisées à la surface de l'étoile. À cet endroit, la matière, qui arrive à une vitesse proche de la vitesse de chute libre, va dissiper son énergie cinétique sous la forme d’un choc d’accrétion, chauffant cette région et la rendant plus chaude et donc plus brillante que le reste de la surface. Cette structure est appelée tache chaude.Cette région du système est inaccessible par imagerie directe, et difficile à résoudre par interférométrie, j’ai donc utilisé des suivis photométriques, spectroscopiques et spectropolarimétriques, afin de caractériser les processus en place à travers les variabilités qu’ils induisent. Dans le détail, j’ai profité de la proximité des observations photométriques du satellite Kepler-K2 avec un suivi spectropolarimétrique ESPaDOnS au CHFT pour étudier 2 objets : HQ Tauri et V807 Tauri. Les campagnes d’observations quasi-simultanées telles que celles-ci sont difficiles à obtenir et offrent une opportunité unique de comparer les signatures propres à la photométrie et à la spectropolarimétrie.La courbe de lumière visible K2 va notamment me permettre de mesurer avec précision la période de rotation de l’étoile, et d’émettre de premières hypothèses sur les structures présentes dans ces systèmes. J’ai pu ensuite comparer les variabilités photométriques avec la spectroscopie haute-résolution ESPaDOnS et les signatures magnétiques que le mode spectropolarimétrique de cet instrument permet d’obtenir. En effet, les différentes structures inhérentes à l’accrétion magnétosphérique possèdent leur propre signature spectrale. Le rayon magnétosphérique se trouve généralement proche du rayon où la période Keplerienne du disque égalise la période de rotation stellaire. De ce fait, toutes les structures de cette région tournent à la même période que celle de rotation de l’étoile, produisant une modulation de leurs signatures sur cette période. Il existe de plus des signatures périodiques mais non-liées à l’accrétion magnétosphérique, comme les taches froides, ainsi que d’autre non périodiques mais pourtant lié à l’accrétion magnétosphérique, comme les éjections magnétosphériques, qui sont observées comme des événements épisodiques sur la durée typique des suivis. Elles doivent également être prises en compte.Ces travaux ont permis d’identifier et d’attribuer les signatures aux processus inhérents à l’accrétion magnétosphérique, menant à sa complète caractérisation, au moins pour ces deux objets. Cette caractérisation a également permis de faire ressortir des signatures résiduelles inattendues pour lesquelles j’ai pu émettre un certain nombre d’hypothèses demandant un approfondissement accompagné de nouvelles observations pour être vérifiées.

The aim of my thesis is to go toward detection of short-period protoplanets, embedded in the inner region of the disk. The recent detection of a Jupiter-mass planet nearby a young star yields the hypothesis of a formation near the star. However, this region is the place of star-disk interactions, especially magnetospheric accretion, whose observational signatures hide planetary signal. My objective is thus to fully characterize the signatures linked to this phenomenon before be able to study the residuals.The classical T Tauri stars are pre-Main Sequence stars, young stellar objects still accreting materials from their inner disk. Those stars own a strong magnetic field, able to truncate the inner disk at magnetospheric radius and drive the accretion. This phenomenon is called “magnetospheric accretion”. The magnetic pressure on the disk will constrain material to leave the disk plane, forming accretion funnel flows along the magnetic field lines until a localized region at the stellar surface. At this place, the material, which has a velocity near the freefall velocity, will dissipate its kinetic energy on the surface, producing an accretion shock. The shock heats this region, producing a hotter and brighter region called “hot spot”.This region cannot be resolved by direct imaging, and hardly by interferometry, I thus used photometric, spectroscopic and spectropolarimetric time series to characterize those processes using variability analysis. More precisely, I took advantage of spectropolarimetric follow-ups using ESPaDOnS at CFHT close to the Kepler-K2 observations in order to study 2 specific objects: HQ Tauri and V807 Tauri. The quasi-simultaneous campaigns as those ones are difficult to obtain, and is a unique opportunity to compare photometric and spectropolarimetric signatures.The Kepler-K2 light curves allow a precise measurement of the rotation period of the star, and first hypothesis about the structures on those systems as well. I compared the photometric variability with the ESPaDOnS’ high-resolution spectroscopy, which provides magnetic information with its spectropolarimetric mode as well, knowing that the structures induced by the magnetospheric accretion process have their own spectroscopic signatures. Furthermore, the magnetospheric radius is usually close to the corotation radius, meaning the radius where the disk’s Keplerian period is equal to the stellar rotation period, making those structures rotate at the same period than the star. However, there are still signatures not linked to the magnetospheric accretion which are modulated on stellar rotation period, like dark spots, and signatures linked to the magnetospheric accretion process but not periodic, like magnetospheric ejections which are observed as episodic events during the usual time range of follow-ups. They have to be considered.This project allowed to identify the signatures of magnetospheric accretion, and ascribe them to the different processes, yielding its complete characterization, at least for those 2 objects. This allows to identify unexpected residual signatures as well, for which I proposed some hypothesis asking additional observations to be confirmed.