Intérieurs des planètes géantes : de Juno à Plato

Interiors of giant planets : from Juno to Plato

• Auteur / Autrice : Saburo Howard
• Direction : Tristan Guillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 03/10/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Mazevet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tristan Guillot, Stéphane Mazevet, Ronald Redmer, Christoph Mordasini, Ravit Helled, Florian Debras, Agnès Fienga, Diana Valencia
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ronald Redmer, Christoph Mordasini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations d'état

Jupiter (planète)

Planètes -- Structure interne

Planètes externes

Mots clés libres

Planètes géantes

Jupiter

Exoplanètes

Intérieurs

Composition

Équation d'état

Giant planets

Jupiter

Exoplanets

Interiors

Composition

Equation of state

Résumé

Étudier l'intérieur des planètes est crucial pour comprendre les processus qui régissent la formation des planètes. Leur structure interne actuelle reflète leur origine et évolution. Jupiter, la plus grande planète de notre système solaire, est particulièrement importante. Elle est l'une des premières à s'être formée et est donc une relique de la genèse de notre système. Bien comprendre son intérieur est fondamental, d'autant plus que plus de 5000 exoplanètes ont été découvertes, parmi lesquelles de nombreuses sont des géantes de gaz. La mission Juno, en orbite autour de Jupiter depuis 2016, a changé notre vision de sa structure interne et a révélé sa complexité. En mesurant avec une extrême précision le champ de gravité de la planète, elle a fourni des contraintes strictes pour les modèles de structure interne. Cependant, réconcilier ces contraintes en plus des mesures atmosphériques de composition et de température de surface est complexe. Ainsi, l'objectif principal de ma thèse est de trouver des modèles de Jupiter en accord avec les diverses observations.Tout au long de ma thèse, j'ai réalisé des calculs MCMC (Markov chain Monte Carlo) afin d'explorer un large ensemble de modèles d'intérieur. Tout d'abord, en examinant la distribution des éléments lourds, il a été constaté que l'enveloppe de Jupiter est inhomogène. Toutefois, ces modèles requièrent un intérieur plus chaud que prévu. De plus, j'ai montré que les incertitudes liées à l'équation d'état sont importantes. En particulier, les effets de mélange non idéaux dus aux interactions entre hydrogène et hélium doivent être pris en compte. J'ai donc développé une table d'équation d'état pour incorporer ces effets. Cette table, en plus des incertitudes liées à l'équation d'état, a été utilisée lors des calculs de modèles d'intérieur. Une attention particulière a été portée sur la détermination de l'étendue du noyau dilué, une région au-dessus du noyau central où les éléments lourds sont graduellement mélangés dans l'enveloppe d'hydrogène et d'hélium. La taille du noyau dilué est importante pour comprendre l'origine et l'évolution de Jupiter. Les modèles précédents indiquaient des solutions avec des noyaux dilués très étendus, en désaccord avec les modèles d'évolution tenant compte du mélange dans l'intérieur planétaire. J'ai identifié des solutions alternatives, présentant des noyaux dilués moins étendus, en meilleure concordance avec les modèles d'évolution et avec les modèles internes de Saturne. Cependant, nos modèles ne peuvent pas satisfaire pleinement l'abondance élevée en éléments lourds mesurée dans l'atmosphère. Une solution potentielle serait une diminution en profondeur de l'abondance en éléments lourds. Pour étudier cette hypothèse, les contraintes sur l'accrétion à l'origine de l'enrichissement de l'atmosphère ont été prises en compte. Cependant, ce scénario s'est avéré peu probable. L'intérieur de Jupiter reste donc mystérieux.Ce qu'on apprend sur Jupiter doit être appliqué aux exoplanètes. Dans quelques années, Plato fournira des mesures précises des rayons, masses et âges de nombreux systèmes planétaires. Comprendre la structure interne et l'évolution des planètes géantes nous permet d'inférer leur composition globale à partir de ces mesures. J'ai montré qu'inclure les effets de mélange non idéaux dans l'équation d'état affecte les rayons calculés jusqu'à 6%, ce qui peut impacter significativement la composition déduite. J'ai utilisé des modèles d'évolution pour contraindre des planètes géantes en transit récemment découvertes, en mettant l'accent sur les systèmes multiples. Dans ces systèmes, les planètes ont le même âge, ce qui permet une comparaison plus précise de leur composition, et ainsi mieux contraindre leurs processus de formation. Des analyses démographiques sur un échantillon suffisamment grand d'exoplanètes contribueront à mieux comprendre la formation de ces planètes et de notre système solaire.

Studying the interiors of planets is essential to gain profound comprehension of the processes that drive planetary formation. The present internal structures of planets reflect their origins and evolutionary paths. Jupiter, the largest planet in our Solar System, is of particular significance as it is believed to have formed first, offering insights into the early stages of our system. Understanding Jupiter's interior is also relevant in light of the discovery of over 5000 exoplanets, many of which being gas giants.The Juno mission, orbiting Jupiter since 2016, has changed our view of Jupiter's interior and revealed its complexity. By measuring extremely accurately the planet's gravity field, it has provided tight constraints for models of its internal structure. Matching these constraints in addition to atmospheric measurements of composition and surface temperature has proven challenging for interior models. Thus, the primary goal of this thesis was to investigate solutions that reconcile the various observations of Jupiter.Throughout this work, I conducted Markov chain Monte Carlo calculations to explore a wide range of plausible interior models for Jupiter. First, by examining the heavy element distribution in the interior, the envelope of Jupiter was found to be inhomogeneous. However, the models required invoking a warmer interior than expected. Furthermore, I showed that uncertainties in the equation of state are an important part of the analysis. In particular, non-ideal mixing effects due to interactions between hydrogen and helium must be considered and I thus developed an equation of state table to incorporate those effects. The constructed table, along with uncertainties in the equation of state, was then taken into account when calculating interior models. Specific emphasis was placed on determining the extent of the dilute core, a region above the central core and where heavy elements are gradually mixed in the hydrogen-helium envelope. The size of the dilute core holds major importance to understand the origin and evolution of Jupiter. Previous models pointed to solutions with very extended dilute cores, in tension with evolution models including mixing in the planetary interior. I have identified alternative solutions, featuring less extended dilute cores, in better agreement with evolution models and with interior models of Saturn. But still, our models could not fully satisfy the high heavy element abundance measured in Jupiter's atmosphere. One potential solution is the presence of an inward-decrease of the heavy element abundance. To investigate such hypothesis, constraints on the properties of the accreted material responsible for the atmosphere's enrichment were considered. This scenario is however found to be unlikely. We must conclude that the interior of Jupiter remains mysterious.What we learn on Jupiter must be applied to exoplanets (or has direct consequences for our comprehension of giant exoplanets). In a few years only, Plato will provide accurate measurements of the radii, masses and also ages of many planetary systems. Understanding the interior structure and evolution of giant planets enables us to infer their bulk compositions from these measurements. I showed that including non-ideal mixing effects in the equation of state can affect the calculated radii by up to 6%, therefore affecting the inferred composition potentially significantly. I used evolution models to constrain newly discovered transiting giant planets, with particular emphasis for systems of giant planets. In these systems, the planets must have the same age, therefore allowing a more precise comparison of their composition. This is important in order to understand their formation pathways. Demographic statistics on a sufficiently large sample of exoplanets will contribute to advancements also in the understanding of our solar system.