Soutenance de thèse de SAMARA Elio

Résumé de la thèse

Les grains de poussière jouent un rôle fondamental dans la formation et l'évolution des systèmes planétaires. Dans les disques protoplanétaires, ils diffusent, absorbent et émettent un rayonnement électromagnétique issu de l'étoile autour de laquelle ils évoluent, produisant des signatures observationnelles qui contiennent des informations sur leur taille, leur forme, leur composition, leur structure, leur porosité et leur indice de réfraction. Cependant, l'extraction de ces propriétés à partir des observations astronomiques reste un problème inverse complexe, notamment parce que les particules de poussière circumstellaires sont souvent irrégulières, hétérogènes et difficiles à modéliser avec précision.
Cette thèse porte sur la caractérisation expérimentale des propriétés de diffraction d'analogues de poussières protoplanétaires en utilisant le principe de l'analogie micro-onde. En étudiant des analogues centimétriques à des fréquences micro-ondes, tout en conservant le paramètre de taille électromagnétique pertinent et leur indice de réfraction, il devient possible de reproduire en laboratoire des régimes de diffusion comparables à ceux rencontrés par les poussières circumstellaires, dans des conditions contrôlées.
Le travail expérimental repose sur le dispositif MIMOSA (Multi Incidence Multi Orientation Scattering and diffraction Analyzer) qui a pris place début 2024, développé à l'Institut Fresnel, une plateforme de mesure de diffraction micro-onde conçue pour mesurer le champ électromagnétique diffracté complexe selon plusieurs configurations d'incidence, d'observation et d'orientation. Une part importante de ce travail a été consacrée à l'optimisation et à la validation de l'ensemble de la chaîne de mesure, incluant l'instrumentation, le positionnement des antennes, l'environnement anéchoïque, la stratégie de calibration et la procédure d'acquisition des données.
Une chaîne de post-traitement robuste a été développée afin de transformer les mesures brutes en observables de diffraction fiables. Cette procédure comprend l'extraction du champ diffracté à partir des mesures de champ total et de champ incident, les corrections géométriques et instrumentales, la compensation du support, la correction de dérive, le filtrage angulaire, la calibration à l'aide d'une sphère métallique et la dépropagation. Les champs traités sont utilisés pour construire les matrices de Jones, qui sont ensuite moyennées afin d'obtenir la matrice de Mueller, à partir desquelles sont extraites les observables principales, telles que la fonction de phase et le degré de polarisation linéaire. Ce moyennage est physiquement équivalent à considérer un ensemble de particules, ce qui revient à passer de la diffraction par une particule unique à la diffusion par un nuage de particules.
La fiabilité de la méthodologie a été évaluée par comparaison avec des simulations numériques. Des objets sphériques de référence ont d'abord été utilisés pour valider la procédure à l'aide de la théorie de Mie. Des analogues de poussières plus complexes, notamment des Gaussian Random Spheres fabriquées par impression 3D, ont ensuite été comparés à des simulations fondées sur la méthode des éléments finis et l'approximation des dipôles discrets. Le bon accord obtenu entre les mesures expérimentales et les simulations valide l'approche de mesure et de traitement développée dans cette thèse.
Dans son ensemble, cette thèse établit MIMOSA comme un outil expérimental fiable pour la caractérisation micro-onde des propriétés de diffraction d'analogues complexes de poussières ou autre. Les résultats obtenus contribuent à établir une validation croisée entre mesures de laboratoire, simulations numériques, en fournissant des données de diffusion utiles pour améliorer l'interprétation des observations de disques protoplanétaires et la compréhension des premières étapes de la formation planétaire.