Soutenance de thèse de SCHNEEBERGER Antoine
Titre de thèse
Composition de la matière primordiale dans les environnements protoplanétaires : Implication pour les origines des lunes galiléennes et des planètes géantes.
Composition of the primordial matter in protoplanetary environments : Implication for the origins of the Galilean Moons and Giant Planets.
Résumé de la thèse
Cette étude porte sur la formation des planètes géantes, sur l'évolution du système jovien, et fournit contraintes pour les prochaines missions ESA/JUICE, NASA/Europa-Clipper et NASA/Uranus Orbiter and Probe. Ce travail est divisé en deux parties. Premièrement, il examine l'imapact des espèces volatiles, considérant les condensats purs, les clathrates hydrates et la glace d'eau amorphe, dans la formation de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune au sein du disque protoplanétaire (PPD). L'étude montre que les clathrates rapprochent les éléments volatils du Soleil par rapport aux condensats purs, ce qui entraîne des pics d'enrichissement significatifs, tandis que la glace d'eau amorphe crée des zones d'enrichissement distinctes. La comparaison de la composition du PPD modélisée avec les atmosphères des planètes géantes observées révèle les periodes et les régions de formation des planètes. Cependant, nous ne confirmons ni n'excluons la présence de clathrates ou de glace d'eau amorphe dans la PPD, soulignant ainsi l'importance de mesures supplémentaires des compositions atmosphériques des planètes géantes pour affiner ces modèles.
La deuxième partie du travail se concentre sur le disque circumplanétaire (CPD) de Jupiter, en particulier sa structure thermique et le rôle du chauffage la chaude Jupiter et des effets d'ombre dans la formation du disque. Elle montre que les régions ombragées forment des cold traps, ou pièges froids, pour les espèces volatiles dans les régions chaudes du disque cirumplanétaire. En outre, nous montrons que si le disque cirumplanétaire est chaud, il devient pauvre en volatils, alors que s'il est froid, il reste riche en volatils. Nous étudions également la possibilité d'un disque "sec", où l'eau est fournie principalement par des minéraux hydratés, et nous appliquons ce concept au système exoplanétaire TRAPPIST-1, suggérant des parallèles entre la distribution de l'eau dans les planètes TRAPPIST-1 et les lunes galiléennes.
Enfin, le développement d'un modèle chimique auto-cohérent pour le CPD est présenté, en se concentrant sur la composition chimique en phase gazeuse à l'équilibre thermochimique. Les premiers résultats indiquent une stratification verticale de la composition dans le disque, bien que les processus de non-équilibre dominent probablement dans les régions plus froides. Dans l'ensemble, ce travail jette les bases pour la construction de l'histoire de la formation de Jupiter et de ses lunes, en soulignant la nécessité de disposer de données d'observation supplémentaires et d'affiner les modèles afin de découvrir les origines du système jovien.
Thesis resume
This study investigates the formation of giant planets and the evolution of the Jovian system, providing insights to support upcoming space missions such as ESA's JUICE, NASA's Europa Clipper and NASA's Uranus Orbiter and Probe. This work is divided into two parts. First, it examines the role of volatile species pure condensates, clathrate hydrates and amorphous water ice, in the formation of Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune within the sun's protoplanetary disk (PPD). The study shows that clathrates bring volatile elements closer to the Sun than pure condensates, resulting in significant enrichment peaks, while amorphous water ice creates distinct enrichment zones. Comparing the modeled PPD composition with observed giant planet atmospheres reveals timescales and regions of planet formation, however we do not confirm, nor rule out the presence of clathrates hydrates or amorphous ice in the PPD, therefore highlighting the importance of further atmospheric measurements to refine these models.
The second part of the work focuses on the circumplanetary disk (CPD) of Jupiter, particularly its thermal structure and the role of heating and shadowing effects in shaping the disk. It shows that the shadowed regions form cold traps for volatile species within hot regions of the cirumplanetary disk. Furthermore, we show that if the CPD is hot it becomes volatile poor, while if it is cold it stays volatile rich. We also investigate the possibility of a "dry" CPD, where water is delivered primarily by hydrated minerals, and applies this concept to the exoplanetary system TRAPPIST-1, suggesting parallels between the water distribution in the TRAPPIST-1 planets and the Galilean moons.
Finally, the development of a self-consistent chemical model for the CPD is presented, focusing on gas-phase chemical composition under thermochemical equilibrium. Initial results indicate vertical compositional layering in the disk, though non-equilibrium processes likely dominate in colder regions. Overall, this research lays the groundwork for understanding the formation of Jupiter and its moons, emphasizing the need for further observational data and model refinement to fully unravel the Jovian system's origins.