Soutenance de thèse de Bastien BRUGGER

La modélisation d'intérieurs planétaires fait le lien entre deux domaines : la détection et caractérisation d'exoplanètes, en plein essor avec le lancement de nouvelles générations de télescopes tels que PLATO ou CHEOPS, et la géophysique, permettant l'étude des corps du système solaire à travers missions spatiales et expériences en laboratoire. Nous avons développé un modèle de structure interne dédié aux planètes telluriques décrites par un noyau métallique, un manteau rocheux, et une enveloppe d'eau, permettant ainsi de considérer un grand nombre de compositions planétaires. En appliquant ce modèle sur des cas d'exoplanètes détectées nous pouvons confirmer que, au-delà d'une meilleure précision sur les paramètres fondamentaux de ces corps (masse et rayon), la composition de l'étoile hôte est essentielle pour contraindre celle de la planète, et ainsi progresser vers une caractérisation complète de cette dernière. L'amélioration du modèle se concentre sur plusieurs aspects, tout d'abord par la sélection de la meilleure équation d'état permettant d'extrapoler les données terrestres au domaine des super-Terres. Une modélisation détaillée des matériaux planétaires est implémentée, par l'utilisation d'un code de minimisation de l'énergie de Gibbs permettant de reproduire la chimie complexe du manteau rocheux, mais aussi par la prise en compte de la présence d'éléments légers dans le noyau métallique. Ces améliorations permettent au modèle d'avoir la précision nécessaire pour dériver des contraintes sur l'intérieur de planètes du système solaire, qui peuvent ensuite être reportées sur les familles d'exoplanètes correspondantes. L'objectif de ce travail est ainsi d'améliorer notre compréhension de l'importante diversité des mondes extrasolaires, au niveau de leur dynamique, formation, et composition.

Modeling exoplanetary interiors draws a link between two domains: the detection and characterization of exoplanets, in the context of upcoming missions like PLATO or CHEOPS, and geophysics, with the study of solar system bodies from space missions and laboratory experiments. We have developed a model of internal structure for terrestrial exoplanets describing a metallic core, a silicate mantle, and a water envelope – to span a large range of planetary compositions. Applying this model to confirmed cases strengthens the fact that, beyond the precision on an exoplanet’s fundamental parameters (mass and radius), the host star’s elemental composition is essential to constrain that of the planet, and thus to progress towards its full characterization. Improving the model goes through several aspects, first by selecting the most appropriate equation of state for extrapolating the Earth’s data to the domain of Super-Earths. A fine modeling of the materials is implemented, through the use of a Gibbs free energy minimization code to describe the mantle’s complex chemistry, but also with the incorporation of light elements in the metallic core. This gives the model the precision needed to infer constraints on the interior of solar system bodies, which can then be projected to exoplanet families. The purpose of this work is to better apprehend the vast diversity of exoworlds in terms of dynamics, formation, and composition.