Nano-poussières carbonées dans les disques protoplanétaires

Carbonaceous nano-dust in protoplanetary disks

• Auteur / Autrice : Thomas Boutéraon
• Direction : Emilie Habart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 19/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1990-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Verstraete
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emilie Habart, Laurent Verstraete, Inga Kamp, Jeroen Bouwman, Nathalie Ysard, Olivier Berné, Stéphanie Cazaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Inga Kamp, Jeroen Bouwman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télescope spatial James-Webb

Disques protoplanétaires

Poussière cosmique

Mots clés libres

Nano-poussière carbonée

Disque protoplanétaire

Spectroscopie IR

Modélisation

Carbonaceous nano-dustt

Protoplanetray disk

IR spectroscopy

Modelling

Résumé

Cette thèse s’intéresse aux signatures spectroscopiques des nano-particules carbonées dans l’infrarouge proche et moyen dans les disques protoplanétaires. Ces signatures sont largement observées dans le milieu interstellaire et les galaxies et représentent ainsi un outil essentiel pour étudier les conditions physiques qui y règnent. Notamment, leur étude dans les environnements circumstellaires d’étoiles de type Herbig contribue à notre connaissance de la formation des systèmes planétaires et du cycle de la matière dans la Voie lactée. Même si la poussière ne représente qu’un faible pourcentage de la matière galactique, elle est essentielle dans la formation d’espèces chimiques complexes, le chauffage photo-électrique du gaz, la balance énergétique ou ladynamique des structures. Ainsi, elle participe directement à l’évolution des disques protoplanétaires.Ce travail s’appuie notamment sur les données d’observations spectroscopiques résolues spatialement obtenues avec l’instrument NaCo au VLT dans l’infrarouge proche entre 3 et 4 μm. Le modèle THEMIS fournit un cadre d’interprétation pour les observations en proposant un modèle physique de la poussière dans lequel les propriétés optiques sont calculées en considérant la composition, la structureet la taille de populations de grains. THEMIS propose un scénario d’évolution de celle-ci au travers des différentes phases du milieu interstellaire.Les résultats obtenus montrent que des particules carbonées sub-nanométriques ayant une forte aromaticité sont présentes de manière étendue et structuréeà la surface des disques protoplanétaires. Leur degré d’aromaticité augmente avec l’intensité du champ de rayonnement de l’étoile. De plus, l’observation de ces particules près de l’étoile suggère leur renouvellement continu. La odélisation de l’émission de la poussière dans les conditions des disques met enévidence les contributions des différentes populations selon la longueur d’onde et les conditions d’irradiation.Ce travail s’inscrit dans la préparation de la mission du James Webb Space Telescope qui permettra d’observer notamment les disques ptrotoplanétaires surune large gamme infrarouge (0.6-28 μm). Ce travail a également conduit à la production de deux articles, un publié et l’autre soumis dans la revue Astronomy & Astrophysics.

This thesis focuses on spectroscopic signatures of carbon nanoparticles in the near and mid-infrared in protoplanetary disks. These signatures are widely observed in the interstellar medium and galaxies and thus represent an essential tool for studying their physical conditions. In particular, their study in the circumstellar environments of Herbig stars contributes to our knowledge of the formation of planetary systems and the dust cycle in the MilkyWay. Even if dust represents only a small percentage of galactic matter, it is key to the formation of complex chemical species, photoelectric gas heating, energy balance or structural dynamics. Thus, it participates directly in the evolution of protoplanetary disks.This work is based in particular on spatially resolved spectroscopic observation data obtained with the NaCo instrument at the VLT in the near infrared between 3 and 4 μm. The THEMIS model provides an interpretative framework for observations by proposing a physical dust model in which optical properties are calculated by considering the composition, structure and size of grain populations. THEMIS proposes a scenario of its evolution through the different phasesof the interstellar medium.The results obtained show that carbon sub-nanoparticles with high aromaticity are present in a widespread and structured manner at the surface ofprotoplanetary disks. Their degree of aromaticity increases with the intensity of the stellar radiation field. Moreover, the observation of these particles close to the star suggests their continuous replenishment. Modelling the dust emission under disk conditions highlights the contributions of dust populations according to the wavelength and the radiation field.This work is related to the preparation of the James Webb Space Telescope mission which will allow to observe protoplanetary disks over a wide infrared range (0.6-28 μm) with a resolution of 0.1”. This work also led to the production of two articles, one published and the other submitted to the journal Astronomy & Astrophysics.