Poussières carbonées dans les disques protoplanétaires: persistance, évolution et signatures

par Thomas Bouteraon

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Emilie Habart et de Nathalie Ysard.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Astronomie et Astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec IAS - Institut d'Astrophysique Spatiale (laboratoire) , Matière Interstellaire et Cosmologie (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    La thèse porte sur la nature et l'évolution micro-physique des grains de poussière dans les disques protoplanétaires. Comment évoluer propriétés de la poussière (Composition, taille, structure, état d'ionisation) en réponse aux conditions locales dans les disques? La façon dont ces évolutions influencent le transfert radiatif, la température et la chimie dans les disques? Quels sont les liens avec les matériaux du système solaire primitif (météorites, poussières interplanétaires)? Pour répondre à ces questions clés concernant les conditions initiales de la formation des planètes et l'évolution du disque, le développement des modèles les plus réalistes de poussière physiques dans les disques protoplanétaires est absolument nécessaire. Ces modèles seront construits sur les bases solides de notre connaissance des observations haute résolution des disques, des codes numériques, des expériences de laboratoire et l'analyse des matériaux du système solaire recueillies. Le doctorant travaillera sur une composante majeure de la poussière interstellaire, les nano-grains carbonés. Dans le milieu interstellaire (ISM), cette phase solide est plus vulnérable à la transformation / destruction que leurs homologues de silicate. L'interdépendance complexe taille - évolution due aux interactions avec les photons constitue un défi de modélisation. Le doctorant étudiera comment ces processus micro-physiques fonctionnent dans des conditions extrêmes dans les disques (selon différents ordres de grandeur en termes d'excitation et de densité locale de l'ISM). Cette étude est particulièrement importante puisque les nano-grains carbonés, très bien couplés au gaz, sont incontournables dans la physique et la chimie des couches de disque supérieures sensibles aux photons émis par les jeunes étoiles. En fait, les nano-grains jouent un rôle essentiel dans le chauffage du gaz, et ont donc une influence sur la structure du disque et leur évolution. En outre, en raison de leur grande surface efficace, ils jouent un rôle clé dans la formation de molécules. Enfin, ils sont des traceurs des conditions physiques (excitation, extinction, géométrie). Le doctorant travaillera à partir des outils de modélisation des grains développés dans notre équipe (THEMIS + code de transfert radiatif) pour déterminer leur composition et leur taille, calculer leurs propriétés optiques et estimer leurs spectres d'émission et d'extinction en fonction des conditions physiques locales. En collaboration avec le SAp-AIM, il / elle analysera aussi unique et original données de terrain à partir des disques autour des étoiles de masse intermédiaire, y compris spatialement et de la poussière chaude spectralement résolue et des bandes caractéristiques des nano-grains, ainsi que la lumière diffuse de la poussière.

  • Titre traduit

    Carbonaceous dust in proto-planetary disks: survival, evolution and signatures


  • Résumé

    The thesis focuses on the nature and micro-physical evolution of dust grains in PPDs. How evolve dust properties (composition, size, structure, ionization state) in response to local conditions in disks ? How these evolution influence the radiative transfer, temperature and chemistry in the disks ? What are the links with the primitive solar system materials (meteorites, interplanetary dust) ? To answer these key questions regarding the initial conditions of planet formation and the disk evolution, the development of the most realistic physical dust models in PPDs is definitely needed. These models will be built upon the solid foundations of our knowledge from high-resolution PPDs observations, numerical codes, laboratory experiments and the analysis of collected solar system materials. The PhD student will work on a major component of interstellar dust, the carbon (nano-)grains. In the interstellar medium (ISM), this solid phase is more vulnerable to processing/destruction than their silicate counterparts. Its complex, size- dependent evolution due to photon interactions provides a modeling challenge. The PhD student will explore how these micro-physical processes work under extreme conditions in disks (different by orders of magnitude in terms of excitation and local density from the ISM). This study is particularly important since the carbonaceous nano-grains, very well coupled to the gas, are unavoidable in the physics and chemistry of the upper disk layers governed by photons from young stars. In fact, nano-grains play an essential role in the gas heating, and thus influence the disk structure and evolution. Moreover, due to their large effective surface area, they play a key role in the formation of molecules. Finally, they are tracers of the physical conditions (excitation, extinction, geometry). The PhD student will work from grain modeling tools developed in our team (THEMIS + radiative transfer code) to determine their composition and size, calculate their optical properties and estimate their emission spectra and extinction according to local physical conditions. In collaboration with the SAp-AIM, she/he will also analyse unique and original ground data from disks around intermediate mass stars including spatially- and spectrally-resolved warm dust and characteristic bands of nano-grains, as well as scattered light of dust.