Evolution et apparence des régions internes de disques circumbinaires

Evolution and appearance of the inner regions of circumbinary discs

• Auteur / Autrice : Kieran Hirsh
• Direction : Jean-François Gonzalez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique
• Date : Soutenance le 30/09/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Courtois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Gonzalez, Wilhelm Kley, Sarah Maddison, Myriam Benisty
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Wilhelm Kley, Sarah Maddison

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert radiatif

Hydrodynamique

Étoiles doubles

Disques protoplanétaires

Mots clés libres

Disques protoplanétaires

Binaires

Hydrodynamique

Transfert radiatif

Protoplanetary discs

Binaries

Hydrodynamics

Radiative transfert

Résumé

Les étoiles naissent dans des disques tourbillonnants de gaz et de poussière, et environ la moitié de toutes les étoiles existent dans des systèmes binaires. La présence d’un compagnon binaire dans un disque est connue pour ouvrir une grande cavité dans la région interne, mais la nature exacte de la façon dont cela se produit n’est pas entièrement connue. De plus, la détection d’un compagnon binaire reste un problème d’observation difficile, et il existe un certain nombre de disques avec des cavités observées et encore aucune binaire détectée, ce qui pose des difficultés pour déduire la présence de ces compagnons. Pour étudier le processus d’ouverture d’une cavité dans un disque circumbinaire, j’effectue une suite de simulations 3D utilisant le formalisme Smoothed Particle Hydrodynamics avec le code PHANTOM. Je modifie l’excentricité orbitale de la binaire, le rapport de masse des deux étoiles, l’échelle de hauteur du disque et l’inclinaison mutuelle entre la binaire et le disque pour comprendre comment chacun de ces paramètres affecte la cavité au cours de 1 000 orbites de la binaire. Je trouve qu’une cavité est rapidement ouverte sur une échelle de temps dynamique tandis que sa taille à long terme est définie sur une échelle de temps visqueuse, la taille finale dépendant à la fois des propriétés de la binaire et du disque. Je calcule ensuite des observations synthétiques en utilisant le code de transfert radiatif 3D MCFOST pour tenter de trouver des signatures observables du compagnon. Je constate que le mouvement radial imprimé au disque par le compagnon est détectable dans les signatures dynamiques. Je développe également une métrique pour quantifier l’asymétrie dans nos observations et trouve que les disques circumbinaires sont au moins un demi-ordre de grandeur plus asymétriques que les disques autour d’une seule étoile. Ainsi, j’ai développé deux méthodes pour inférer indirectement la présence d’un compagnon binaire dans le cas où il ne peut pas être observé directement.

Stars are born in swirling discs of gas and dust, and roughly half of all stars exists in binary systems. The presence of a binary companion in a disc is known to open a large cavity in the inner region, however the exact nature of how this occurs is not fully known. Moreover, resolving a binary companion remains a challenging observational problem, and there exists a number of discs with observed cavities and as yet no resolved binary, leading to difficulties in inferring the presence of these companions. To investigate the cavity opening process in a circumbinary disc I perform a suite of 3D Smoothed Particle Hydrodynamics simulations using the code PHANTOM. I alter the binary orbital eccentricity, binary mass ratio, disc scale height, and the mutual inclination between the binary and the disc to understand how each of these affect the cavity over the course of 1,000 binary orbits. I find that a cavity is quickly opened on a dynamical timescale while its long-term size is set on a viscous timescale, with the final size depending on both binary and disc properties. I then compute synthetic observations using the 3D radiative transfer code MCFOST in an attempt to find observable signatures of the companion. I find that the radial motion imparted on the disc by the companion is detectable in the dynamic signatures. I also develop a metric to quantify the asymmetry in our observations and find that circumbinary discs are at least 3 times more asymmetric than single-star discs. Thus I have developed two methods to indirectly infer the presence of a binary companion in the case when it cannot be directly observed.