Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Tourbillons,Auto-gravité,Disque Protoplanétaire,Formation planétaire,

Keywords

Vortex,Self-Gravity,Protoplanetary disk,Planet formation,

Titre de thèse

Tourbillons auto-gravitants dans les disques protoplanétaires
Self-gravitating vortices in protoplanetary disks

Date

Mardi 18 Octobre 2022 à 14:00

Adresse

38 Rue Frédéric Joliot Curie, 13013 Marseille Amphithéâtre

Jury

Directeur de these M. Pierre BARGE Aix Marseille Université
CoDirecteur de these M. Stéphane LE DIZèS Institut de Recherche sur les Phénomènes Hors Equilibre (IRPHE)
Président Mme Véronique BUAT Aix Marseille Université
Examinateur Mme Héloïse MéHEUT Observatoire de la Côte d'Azur
Examinateur M. Hubert KLAHR Max-Planck-Institut für Astronomie Heidelberg
Examinateur M. Cornelis Petrus DULLEMOND Zentrum für Astronomie Heidelberg der Universität
Rapporteur M. Geoffroy LESUR Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble
Rapporteur M. Clément BARUTEAU Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie

Résumé de la thèse

Les disques protoplanétaires hébergent sans doute des structures tourbillonnaires dont les conséquences sur la formation planétaire ne sont pas encore claires. L’intérêt principal des tourbillons réside dans le fait qu’ils peuvent capturer et confiner très facilement une grande quantité de particules solides susceptible de s’effondrer gravitationnellement pour former des planétésimaux ou embryons de planètes. L’auto-gravité du disque joue donc un rôle essentiel dans ce scénario. En particulier, il est crucial d’étudier comment l’auto-gravité affecte la structure du tourbillon et son évolution. Dans ce travail je m’intéresse, d’abord aux modèles analytiques de tourbillons à l’équilibre. Je propose un formalisme mathématique d’étude et obtiens une solution tourbillonnaire des équations d’Euler et continuité à 2D. La difficulté d’une approche purement analytique des équations de l’hydrodynamique et le souci d'approcher plus fidèlement le problème m’ont conduit à m’orienter vers une étude numérique à 3D. Je me suis donc attaché à développer RoSSBi3D, un code volumes finis compressible dont les performances actuelles permettent de réaliser des simulations à haute résolution. Enfin, dans les deux dernières parties de cette thèse je m’intéresse exclusivement à l’étude de l’auto-gravité des tourbillons avec, ou sans, particules solides grâce à des simulations à haute résolution. Je propose un critère, analogue à celui de Toomre, qui permet de juger de la robustesse d’un tourbillon dans un disque auto-gravitant et je retrouve que les disques les plus massifs ne peuvent abriter de tourbillons à grande échelle. Dans le cas des simulations bifluides, je montre que le calcul de l’auto-gravité nécessite d’être estimé quatre fois au lieu d’une pour tenir compte correctement de la contribution des particules solides, mais aussi que la haute résolution permet d’éviter une dissipation prématurée des tourbillons et une surestimation de la rétroaction des particules sur le gaz.

Thesis resume

Structures observed in protoplanetary discs could be due to large-scale vortices whose consequences on planetary formation are still uncertain. The main interest of the vortices is their ability to rapidly capture and trap the solid particles; indeed, the large clumps formed in the vortex core could gravitationally collapse into planetesimals or planetary cores. Self-gravity (SG) plays a key role in this scenario but also affects in a decisive way the morphology and evolution of the vortices. In this work, I first study analytical models of vortices at equilibrium. Then, I propose a mathematical formalism for their study and obtain an analytical vortex solution of the 2D Euler and continuity equations. The difficulty of the hydrodynamic equations and the need to better characterise the problem led me to a 3D numerical approach. I developed RoSSBi3D, a compressible finite-volume code whose performances allow to reach the high-resolution required to address the problem. In the two other sections, I focus on the impact of SG using high-resolution simulations for each of the two phases (gas and solid). Based on Toomre’s criterion, I find a stability condition that vortices should satisfy to resist the destabilising effects of SG and I confirm that massive discs cannot host large-scale vortices. In the case of bi-fluid simulations, I demonstrate that SG needs to be estimated four times, instead of one, in order to correctly account for dust contribution. I also find that high-resolution simulations are required to avoid artificial vortex decay and overestimate the dust feedback.