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 dAstrophysique 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. Lintérêt principal des tourbillons réside dans le fait quils peuvent capturer et confiner très facilement une grande quantité de particules solides susceptible de seffondrer gravitationnellement pour former des planétésimaux ou embryons de planètes. Lauto-gravité du disque joue donc un rôle essentiel dans ce scénario. En particulier, il est crucial détudier comment lauto-gravité affecte la structure du tourbillon et son évolution.
Dans ce travail je mintéresse, dabord aux modèles analytiques de tourbillons à léquilibre. Je propose un formalisme mathématique détude et obtiens une solution tourbillonnaire des équations dEuler et continuité à 2D. La difficulté dune approche purement analytique des équations de lhydrodynamique et le souci d'approcher plus fidèlement le problème mont conduit à morienter 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 mintéresse exclusivement à létude de lauto-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 dun 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 lauto-gravité nécessite dêtre estimé quatre fois au lieu dune pour tenir compte correctement de la contribution des particules solides, mais aussi que la haute résolution permet déviter 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 Toomres 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.