Dynamique et évolution des systèmes étoile-planète. Impact des interactions magnétiques et de marées

Dynamics and evolution of star-planet systems. Impact of magnetic and tidal interactions

• Auteur / Autrice : Jérémy Ahuir
• Direction : Allan Sacha Brun, Stéphane Mathis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance le 29/09/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Charnoz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Allan Sacha Brun, Stéphane Mathis, Sébastien Charnoz, Magali Deleuil, Nadège Meunier, Theresa Rank-Lueftinger, Antonino Francesco Lanza, Antoine Strugarek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Magali Deleuil, Nadège Meunier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exoplanètes

Vents stellaires

Étoiles -- Champs magnétiques

Évolution stellaire

Magnétohydrodynamique

Ondes électromagnétiques

Mots clés libres

Interactions étoile-planète

Star-planet interactions

Résumé

Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses planètes proches ont été détectées autour d'une grande variété d'étoiles hôtes. Ces exoplanètes sont susceptibles de subir une migration planétaire par le biais d'interactions de marées mais également par des effets magnétiques. Le but de cette thèse est d'étudier l'influence de l'action combinée de tels processus sur la dynamique et l'évolution des systèmes étoile-planète, ainsi que sur les populations planétaires observées. Après une première partie traitant de la diversité des étoiles de type solaire, des planètes et des interactions susceptibles de s'y produire, nous présentons dans une seconde partie un formalisme fournissant des prescriptions pour la perte de masse des étoiles, leur champ magnétique ainsi que leurs propriétés coronales compatibles avec la gyrochronologie et les observations de champs magnétiques stellaires par spectropolarimétrie. Puis, nous étudions l'évolution orbitale d'une planète le long de l'évolution structurelle et magnéto-rotationnelle de son étoile hôte en prenant en compte simultanément les couples magnétiques et de marées, afin d'expliquer la distribution des planètes proches observées. Pour ce faire, nous avons étendu un modèle numérique d'évolution séculaire de systèmes étoile-planète circulaires coplanaires appelé ESPEM. Celui-ci prend en compte les changements structurels stellaires, le freinage de l'étoile par le vent, la dissipation des marées dans l'enveloppe convective stellaire (notamment par le biais des ondes inertielles) ainsi que les interactions magnétiques étoile-planète dans le régime dipolaire. Nous étudions ainsi les configurations possibles des systèmes étoile-planète en résultant et évaluons l'influence relative des couples magnétiques et de marées au cours de leur évolution séculaire. Nous synthétisons ensuite des populations de tels systèmes et confrontons leur distribution en période orbitale et en période de rotation stellaire aux données du satellite Kepler. Nous montrons notamment que les interactions magnétiques étoile-planète affectent de manière significative la distribution des super-Terres autour des étoiles en rotation lente, tandis que les effets de marées façonnent la distribution des planètes géantes. La troisième partie de cette thèse se concentre sur la modélisation ab-initio d'interactions étoile-planète dont la compréhension est essentielle pour obtenir une vision complète de l'évolution des systèmes. Nous nous penchons en premier lieu sur la dissipation de marée dans les zones radiatives stellaires, dans le but d'évaluer sa variation en fonction du type stellaire et du stade évolutif considérés. Un formalisme général permettant d'évaluer la dissipation des ondes de gravité de marée quelle que soit la masse de l'étoile y est présenté. De plus, l'influence de la structure et de l'évolution stellaires sur la dissipation de marée dans le coeur radiatif des étoiles de type solaire y est étudiée. Nous montrons que la dissipation de la marée dynamique dans la zone radiative domine l'évolution du système à la fin de la séquence principale et durant les phases des sous-géantes et des géantes rouges. La dissipation de la marée dynamique dans la zone convective, plus efficace pour des étoiles en rotation rapide, est la plus forte contribution durant la majeure partie de la pré-séquence principale et le début de la séquence principale. Enfin, nous nous penchons sur la transition entre les régimes dipolaire et unipolaire d'interactions magnétiques étoile-planète. Pour ce faire, nous avons recours à des simulations MHD 3D. La transition du régime dipolaire vers le régime unipolaire, obtenue en diminuant la diffusivité magnétique de la planète, met en évidence une saturation du couple magnétique dans le régime unipolaire à la valeur attendue dans le régime dipolaire, plus faible que les prédictions des travaux antérieurs pour le cas unipolaire

Over the last two decades, many close-in planets have been detected around a wide variety of host stars. These exoplanets are likely to undergo planetary migration through tidal interactions but also through magnetic effects. The aim of this thesis is to study the influence of the combined action of such processes on the dynamics and evolution of star-planet systems, as well as on the observed planetary populations. After a first part addressing the diversity of solar-type stars, of planets and the interactions likely to occur in star-planet systems, we present in a second part a formalism providing prescriptions for the mass loss of stars, their magnetic field as well as their coronal properties, compatible with gyrochronology and stellar magnetic field observations through spectropolarimetry. Then, we aim to understand the orbital evolution of a planet along the structural and magneto-rotational evolution of its host star by taking into account simultaneously magnetic and tidal torques, in order to explain the observed distribution of close-in planets. To do so, we have generalized a secular evolution model of a coplanar and circular star-planet systems called ESPEM. This model takes into account stellar structural changes, wind braking, tidal dissipation in the convective envelope of the star (in particular through inertial waves) as well as star-planet magnetic interactions in the dipolar regime. We then study the possible configurations of the resulting star-planet systems and evaluate the relative influence of magnetic and tidal torques along their secular evolution. We then synthesize populations of such systems and compare their distribution in orbital periods and stellar rotation periods to the Kepler satellite data. We show in particular that star-planet magnetic interactions significantly affect the distribution of super-Earths around slowly rotating stars, while tidal effects shape the distribution of giant planets. The third part of this thesis focuses on the ab-initio modeling of star-planet interactions, whose understanding is fundamental to obtain a complete view of the evolution of the systems. We first focus on tidal dissipation in stellar radiative zones, in order to evaluate its variation as a function of stellar type and the evolutionary stage considered. A general formalism allowing to evaluate tidal dissipation through gravity waves for any stellar mass is presented. Moreover, the influence of stellar structure and evolution on tidal dissipation in the radiative core of solar-type stars is studied. In particular, we show that the dynamical tide in the radiative zone dominates the evolution of the system during the end of the main sequence, the subgiant and the red giant phases. The dissipation of the dynamical tide in the convective zone, more efficient for fast rotating stars, is the strongest contribution during most of the pre-main sequence as well as the beginning of the main sequence. Finally, we address the transition between dipolar and unipolar regimes of star-planet magnetic interactions. To do so, we rely on 3D MHD simulations. The transition from the dipolar to the unipolar regime, obtained by decreasing the magnetic diffusivity of the planet, shows a saturation of the magnetic torque in the unipolar regime at the expected value in the dipolar regime which is lower than what has been predicted in previous studies of the unipolar case.