Formation des planétésimaux dans les disques protoplanétaires turbulents

Planetesimal formation in turbulent protoplanetary disks

• Auteur / Autrice : Fabiola Antonietta Gerosa
• Direction : Héloïse Méheut, Jérémie Bec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Joseph-Louis Lagrange (Nice, Alpes-Maritimes ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Paolo Tanga
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Héloïse Méheut, Jérémie Bec, Paolo Tanga, Guillaume Laibe, Alessandra Lanotte, Joanna Drążkowska, Leonardo Testi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guillaume Laibe, Alessandra Lanotte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Turbulence

Disques protoplanétaires

Planètes -- Origines

Planétésimaux

Mots clés libres

Planétésimaux

Turbulence

Disques protoplanétaires

Poussière

Instabilités

Simulations numériques

Planetesimals

Turbulence

Protoplanetary disks

Dust

Instabilities

Numerical simulations

Résumé

Les systèmes planétaires se forment à partir de grains de poussières de tailles inférieures au micron dans des disques protoplanétaires essentiellement gazeux en rotation autour d'une étoile jeune. La poussière doit tout d'abord croître jusqu'à constituer des planétésimaux (objets d'une taille de l'ordre du kilomètre), considérés comme les briques élémentaires des planètes. Cependant, l'émergence des planétésimaux reste l'une des principales questions ouvertes dans les théories de formation des planètes, en raison de divers obstacles qui entravent ce processus. L'hypothèse privilégiée implique la concentration des particules solides en amas denses qui s'effondreraient sous l'effet de leur propre gravité.Une question clé dans ce processus est le rôle joué par la turbulence. Le gaz dans les disques est réputé turbulent, bien que l'origine et l'intensité de cette turbulence soient encore débattues. Il est généralement admis que la turbulence a un effet diffusif sur les particules de poussière, dispersant les concentrations et empêchant ainsi la formation de planétésimaux. Pourtant, plusieurs études ont montré que les particules peuvent se regrouper sous l'effet des structures cohérentes de l'écoulement turbulent. Les surdensités qui en résultent pourraient être d'excellents candidats à l'effondrement gravitationnel. La formation de planétésimaux dans les disques protoplanétaires turbulents est donc le sujet de controverses.Cette thèse aborde ce problème complexe dans le but de caractériser les propriétés de la turbulence dans les disques et son impact sur la dynamique et la concentration des poussières. Pour ce faire, ce travail s'appuie sur des simulations en 2 ou 3 dimensions de particules lagrangiennes dans un écoulement turbulent en rotation képlérienne. Une étude systématique est menée et des méthodes d'analyse innovantes sont mises en place afin de quantifier précisément la concentration des poussières.J'identifie l'espace des paramètres clés pour chaque évolution possible de la poussière dans la turbulence. En particulier, un écoulement faiblement turbulent en rotation képlérienne ne doit pas être considéré comme homogène et isotrope. Cela a pour conséquence remarquable la formation d'amas denses de poussières. En se focalisant sur des instabilités connues de disques, j'identifie les caractéristiques de la turbulence nécessaires pour atteindre des concentrations significatives de poussière. Ces résultats suggèrent que l'instabilité convective (''Convective Overstability'') pourrait être le candidat le plus efficace. Enfin, une turbulence modérée permet de réduire ou même d'arrêter la dérive radiale de la poussière.Dans cette thèse, je présente des résultats prometteurs pour la croissance de la poussière dans les disques protoplanétaires turbulents. Je conclus que la turbulence peut permettre de dépasser plusieurs des principaux obstacles à la formation des planétésimaux.

Planetary systems form from sub-micron dust embedded in a mostly gaseous protoplanetary disk rotating around a young star. Dust has to grow into planetesimals (kilometer-sized objects), considered to be the building blocks of planets. However, the emergence of planetesimals remains one of the major open questions in planet formation theories due to various barriers in the process. The favored solution is to concentrate dust particles into dense clumps that can gravitationally collapse under self-gravity. A key question in this process is the role played by turbulence. Gas in disks is indeed considered to be in a turbulent state, although the origin and intensity of this turbulence are still debated. It is commonly believed that turbulence has a diffusive effect on dust particles, dispersing concentrations and thus impeding the formation of planetesimals. On the other hand, various studies have shown that dust particles can cluster due to coherent structures in the turbulent flow. The resulting overdensities might be excellent candidates for gravitational collapse. Planetesimal formation in turbulent protoplanetary disks is therefore a controversial topic.This thesis addresses this complex problem with the aim of unraveling the properties of turbulence in disks and its impact on dust dynamics and growth. For this purpose, 2D and 3D numerical simulations of dust particles interacting with a turbulent flow in Keplerian rotation are performed. A systematic study is conducted and innovative analysis methods are employed to provide quantitative insights into dust clustering.I identify the key parameter space for each possible outcome of dust evolution in turbulence.In particular, I show that a weakly turbulent flow in Keplerian rotation should not be treated as homogeneous and isotropic. A striking consequence is the formation of dense clusters of dust. Focusing on known disk instabilities, I identify the turbulence characteristics needed to reach significant dust concentrations. These findings suggest that Convective Overstability may be the most effective candidate for this purpose. Finally, moderate turbulence is also able to reduce or completely halt the radial drift of dust.In this thesis, I reveal promising results for dust growth in turbulent protoplanetary disks. I conclude that turbulence can support dust in overcoming the barriers to planetesimal formation.