Effets des particules énergétiques produites par la reconnexion magnétique sur les disques des étoiles jeunes

Effects of energetic particles produced by magnetic reconnection on discs of young stars

• Auteur / Autrice : Valentin Brunn
• Direction : Alexandre Marcowith, Christophe Sauty
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LUPM - Laboratoire Univers et Particules Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Ana Palacios
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Marcowith, Paola Caselli, Aline Vidotto, Zakaria Meliani, Sophie Masson, Christophe Sauty
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Paola Caselli, Aline Vidotto

Mots clés

Mots clés libres

Simulations numériques

Rayons cosmiques

Etoiles jeunes

Astrophysique

Plasmas astrophysiques

Théorie

Theory

Numerical simulations

Cosmic Rays

Astrophysics

Astrophysical plasmas

Young Stellar Objects

Résumé

Les étoiles T Tauri, jeunes analogues d'étoiles similaires au Soleil, sont entourées de disques protoplanétaires de poussière et de gaz. Ces étoiles et leurs disques sont essentiels pour comprendre l'évolution stellaire et la formation des planètes dans les systèmes de faible masse. Ces étoiles présentent une forte variabilité, émettant notamment d'intenses éruptions de rayons X dues à des événements de reconnexion magnétique. Lors de ces événements, l'énergie magnétique est transformée en énergie cinétique des particules. Certaines de ces particules chauffent ensuite le plasma de la chromosphère sous-jacente à plusieurs dizaines de millions de degrés, émettant les rayons X observés. D'autres particules sont censées s'échapper de la chromosphère pour interagir avec l'environnement circumstellaire environnant. La question est de savoir quel est l'impact des particules produites par des événements de reconnexion magnétique sur les disques des jeunes étoiles. Les caractéristiques complexes des disques protoplanétaires autour des étoiles T Tauri nécessitent une stratégie interdisciplinaire pour améliorer notre compréhension de ces objets. Cette thèse a contribué à construire un cadre combinant des méthodologies observationnelles, des modèles chimiques et dynamiques de disques protoplanétaires, et la mécanique de l'accélération et du transport des particules énergétiques. Cette synergie vise à démontrer leur impact collectif sur la dynamique et la chimie du disque et éventuellement sur ses jets associés. Nous introduisons d'abord la modélisation des étoiles T Tauri et de leurs disques, en tenant compte des contraintes observationnelles actuelles, comme la distribution de masse du disque et leur structure thermique. Ensuite, nous examinons en profondeur le rôle de l'ionisation dans la dynamique du disque, y compris son origine. Non seulement par des sources standard comme le rayonnement stellaire et les rayons cosmiques galactiques (GCR) mais aussi par l'ionisation non thermique due aux événements de reconnexion magnétique. Nous examinons ensuite les événements de reconnexion magnétique dans les éruptions T Tauri comme une source d'ionisation alternative, nécessitant des considérations théoriques distinctes des flares solaire en raison de leurs propriétés magnétiques et lumineuses décuplés. Puis, nous analysons le transport des particules énergétiques dans le disque d'accrétion, introduisant deux modèles de transport basés sur la densité de colonne des particules. Ensuite, nous présentons une étude utilisant le code ProDiMO, révélant que les particules issues d'événements de reconnexion magnétique pourraient contribuer significativement à l'ionisation du disque. Enfin, nous présentons une étude complémentaire prenant en compte des facteurs temporels, montrant que la prise en compte de ces particules pourrait augmenter le taux d'ionisation et influencer la chimie et la dynamique du disque ainsi que le mécanisme de lancement des vents et des jets. En conclusion, cette thèse souligne la possibilité que les événements de reconnexion magnétique soient fondamentaux pour comprendre l'ionisation dans les disques protoplanétaires internes autour des jeunes étoiles T Tauri. De telles découvertes pourraient redéfinir notre compréhension de la dynamique du disque, de la chimie et des premiers stades de la formation planétaire.

T Tauri stars, young analogues of Sun-like stars, are surrounded by protoplanetary discs of dust and gas. These stars and their discs are crucial for understanding stellar evolution and planet formation in low-mass systems. These stars exhibit strong variability, notably emitting intense X-ray flares due to magnetic reconnection events. During these events, magnetic energy is transformed into particle kinetic energy. Some of these particles subsequently heat the plasma of the underlying chromosphere to tens of millions of degrees, emitting the observed X-rays. Other particles are believed to escape from the chromosphere and interact with the surrounding circumstellar environment. The issue that arises is to estimate the impact of particles produced by magnetic reconnection events on the discs of young stars. The complex features of protoplanetary discs around T Tauri stars require an interdisciplinary approach to enhance our understanding of these objects. This thesis has contributed to the development of a framework that combines observational methodologies, chemical and dynamical models of protoplanetary discs, and the mechanics of energetic particle acceleration and transport. This synergy aims to demonstrate their collective impact on the disc's dynamics and chemistry and potentially its associated jets. We first introduce the modelling of T Tauri stars and their discs, taking into account current observational constraints, such as the disc's mass distribution and thermal structure. Next, we focus on the role of ionisation in disc dynamics, including its origins from not only standard sources like stellar radiation and Galactic Cosmic Rays (GCRs) but also potential non-thermal ionisation from reconnection events. We then explore magnetic reconnection events in T Tauri flares as an alternate ionisation source, requiring distinct theoretical considerations from solar flares due to their amplified magnetic and luminous properties. Subsequently, we analyse the transport of energetic particles in the accretion disc, introducing two transport models based on particle column density. Following that, we present a study using the ProDiMO code, revealing that particles from magnetic reconnection events could significantly contribute to disc ionisation. Lastly, we introduce a supplementary study considering temporal factors, indicating that accounting for these particles could boost the ionisation rate and influence the disc's chemistry and dynamics, as well as the launching mechanism of winds and jets. In conclusion, this thesis emphasises the possibility that magnetic reconnection events might be pivotal for understanding ionisation in inner protoplanetary discs surrounding young T Tauri stars. Such insights could redefine our understanding of disc dynamics, chemistry, and the early stages of planetary formation.