Formation des planétésimaux dans les disques protoplanétaires turbulents

Planetesimal formation in turbulent protoplanetary disks

• Auteur / Autrice : Fabiola Antonietta Gerosa
• Direction : Héloïse Meheut, Jérémie Bec
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat sciences de la planete et de l'univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire J.L. LAGRANGE

Mots clés

Mots clés libres

Planétésimaux

Turbulence

Disques protoplanétaires

Poussière

Instabilités

Simulations numériques

Planetesimals

Turbulence

Protoplanetary disks

Dust

Instabilities

Numerical Simulations

Résumé

Les disques protoplanétaires sont des pouponnières de planètes, en permettant leur formation à partir de la poussière interstellaire. Les observations récentes (ALMA, SPHERE) de disques protoplanétaires ont montré la présence de structures diverses et complexes dans la distribution de poussière (spirales, asymétries). Leur interprétation nécessite une meilleur compréhension de la dynamique des solides dans ces disques gazeux, et ainsi de proposer des modèles pour les premières étapes de la formation planétaire. En effet, cette problématique observationnelle rejoint l'une des principales question majeure non résolue pour expliquer la formation des planètes: comment former les planétésimaux, ces roches de la taille des astéroïdes? Le couplage dynamique entre la poussière solide et la turbulence du gaz constitue certainement une piste clé pour répondre à cette question. Il y a quelques années, la communauté pensait que la turbulence était due à la instabilité magnéto-rotationnelle. On pense aujourd'hui que de multiples instabilités peuvent opérer dans ces disques et conduire à un état turbulent. La turbulence peut successivement favoriser la formation de planétésimaux grâce à l'effondrement gravitationnel, ou au contraire détruire les agrégats par des collisions. Ce projet de thèse permettra d'apporter de nouvelles perspectives à ce problème en proposant une approche novatrice, trans-disciplinaire de l'étude du couplage entre la dynamique de la poussière et la turbulence du gaz porteur. La doctorante développera des outils de pointe pour la simulation directe du fluide et de l'ensemble des solides qui sera modélisé soit par un grand nombre de particules ponctuelles, soit par une approche hydrodynamique. Les simulations numériques seront réalisées sur les serveurs locaux ou feront l'objet de demandes de temps de calcul auprès de centres de calcul nationaux ou européens. La collaboration interdisciplinaire entre l'Observatoire de la Côte d'Azur et Mines Paritech permettra d'étudier la turbulence avec les outils théoriques et numériques utilisés en mécanique des fluides et ses applications industrielles, et ainsi débloquer un verrou scientifique dans la compréhension de la formation des planètes. Ce travail de thèse est opportun, pertinent et conduira sans aucun doute à des publications dans des revues internationales du plus haut niveau.

Protoplanetary disks in young stellar environments are able to transform dust into planets. Recent observations (ALMA, SPHERE) of protoplanetary disks have shown the presence of various and complex structures in their dust distribution (spirals, asymmetries). Their interpretation needs a better understanding of how the evolution of the disk, and the planet-formation process within that disk, are interconnected. It is well known that the interaction between dust and the gas disk plays a vital role in the first phases of planet formation : for the growth of pebbles to planetesimals, asteroid sized rocks. Their formation remains an open question and understanding the dynamical coupling of dust particles to the turbulent gas could lead to possible solutions. Whereas a few years ago the transition to a turbulent state was considered to be well understood and due to magneto-rotational instability, recent theoretical works on the disk gas dynamics have shown that multiple instabilities may operate in these disks. Each of them enables a transition to a turbulent state which can help the growth of dust grains thanks to gravitationnal collapse, or do the complete opposite and destroy them due to collisions. The goal of this thesis is to bring out new perspectives to this problem by studying in a detailed and interdisciplinary manner the coupling between dust dynamics and gas turbulence. The doctoral student will develop state-of-the-art tools for the direct numerical simulations of the fluid and of a solid phase that will be modelled either by a large number of point particles, or by a hydrodynamical approach. The numerical simulations will be performed on the local servers or will be the subject of applications for computational time on national or European computing centres. The interdisciplinary collaboration between the Observatoire de la Côte d'Azur and Mines Paritech will enable turbulence to be studied using the theoretical and numerical tools used in fluid mechanics and its industrial applications, and thus unlock a scientific key to understanding the formation of planets. This thesis work is timely, relevant and will undoubtedly lead to publications in international journals of the highest level.