Évolution de la porosité des grains : une solution aux problèmes de formation planétaire ?

par Anthony Garcia

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Jean-François Gonzalez.

Soutenue le 04-09-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de recherche astrophysique de Lyon (CRAL) (laboratoire) .

Le président du jury était Cathy Quantin-Nataf.

Le jury était composé de Jean-François Gonzalez, Héloïse Meheut.

Les rapporteurs étaient Sébastien Charnoz, Olivier Mousis.


  • Résumé

    Dans les disques protoplanétaires, les grains micrométriques croissent jusqu'à atteindre des tailles de planétésimaux avant de finalement former des planètes. Cependant,des études dynamiques ont montré qu'une fois que les grains atteignent une taille critique, ils dérivent rapidement vers l'étoile et y sont accrétés. Ce problème est connu comme la barrière de dérive radiale. De plus, des expériences en laboratoire ont montré que les grains peuvent fragmenter ou rebondir et ainsi arrêter la croissance avant les tailles kilométriques.Afin de passer outre ces barrières, plusieurs méthodes ont été proposés comme les pièges à particules (dans les vortex ou les sillons planétaires) qui demandent des évolutions dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous choisissons d'étudier les propriétés intrinsèques de la poussière pendant leur croissance et plus particulièrement leur porosité.Nous développons un modèle d'évolution de la porosité pendant la croissance en fonction de la masse des grains pour plusieurs régimes d'expansion/compression (Kataoka et al. 2013, Okuzumi et al. 2012) et l'implémentons dans notre code SPH bifluide (Barrière-Fouchet et al. 2005). Nous trouvons que la croissance des grains poreux est accélérée en comparaison aux grains compacts et leur taille peut atteindre plusieurs kilomètres. De surcroît,la dérive est légèrement ralentie pour les grains poreux qui peuvent croître jusqu'à de plus grandes tailles avant de commencer à dériver vers l'étoile. Nous constatons aussi que les grains des régions externes du disque grossissent plus que quand l'effet de la porosité est négligé. Ces deux mécanismes peuvent aider les grains à outrepasser la barrière de dérive radiale, notamment en passant dans le régime de traînée de Stokes, et ainsi former des planétésimaux.Nous étudions aussi l'effet de la fragmentation et du rebond sur le comportement des grains. En considérant un seuil de fragmentation constant, nous observons que la croissance de grains poreux est retardée un temps par la fragmentation mais qu'elle se poursuit vers de grandes tailles et par conséquent, permet de passer outre les problèmes dus à la fragmentation et à la dérive radiale. Cependant, les grains très poreux sont plus fragiles et peuvent se fragmenter plus facilement entraînant une accrétion massive des poussières dans l'étoile. De plus, nous montrons que les effets du rebond peuvent être négligés devant ceux de la fragmentation.Enfin, nous observons également que la taille des monomères et du paramètre de viscosité turbulente peut avoir une influence sur l'évolution de la porosité et donc de la poussière dans le disque.La porosité permet donc de favoriser la croissance des grains et accélérer le découplage des grains. Les grains très poreux peuvent être plus sensibles à la fragmentation.Cependant, les effets collectifs de la poussière couplés à la porosité peuvent aider les grains à outrepasser les barrières de formation planétaire. La barrière de rebond peut être négligée dans le cas de grains poreux devant les autres barrières. Enfin,l'intensité de la turbulence altère la croissance et ainsi le devenir de la poussière.La taille des monomères modifie le facteur de remplissage sans toutefois impacter le découplage des grains dans les parties internes

  • Titre traduit

    Evolution of grain porosity during growth : a solution to planetary formation barriers?


  • Résumé

    In protoplanetary discs, micron-sized grains should grow up to planetesimal sizes in order to ultimately form planets. However, dynamical studies show that once they reach a critical size, they drift rapidly into the accreting star. This is known as the radial-drift barrier. Moreover, laboratory experiments have shown that grains can fragment or bounce, stopping the growth towards planetesimal sizes.In order to overcome those barriers, several methods have been proposed such as particles traps (e.g. vortices or planet gaps) which all involve large-scale dynamics.In this work, we choose to investigate the intrinsic properties of the grains during their growth, in particular their porosity.We thus consider the growth of grains with variable porosity as a function of their mass in several regimes of compression/expansion (Kataoka et al. 2013, Okuzumiet al. 2012) and implement it in our 3D SPH two-fluid code (Barrière-Fouchetet al. 2005).We find that growth is accelerated for porous grains that can reach kilometersizes. On the other hand, drift is slightly slowed down for porous grains that can grow up to larger sizes before drifting towards the star. As a result, grains in the outer regions of the disc reach larger sizes than when porosity is neglected. Those two mechanisms can help grains overcome the radial-drift barrier and form planetesimals.The Stokes drag regime appears to play a substantial part in maintaining grains in the disc.Considering a constant fragmentation threshold, we also find out that growth is delayed because of fragmentation but reaching large sizes and thus overcoming problems due to fragmentation and radial drift is still possible. However, very fluffy grains are fragile and can be easily disrupted leading to a massive accretion of dust into the star. Moreover, we show that the effects due to dust bouncing can be neglected compared to fragmentation.Finally, we investigate the influence of the size of monomers and -parameter on the evolution of porosity and then dust in the disc.Dust growth is accelerated by porosity and thus promotes grains decoupling. Very fluffy grains are more affected by fragmentation. However, dust collective effects and porosity can help grains to overcome planet formation barriers. Besides,the bouncing barrier can be neglected in the case of porous dust compared to other barriers. Finally, the intensity of turbulence can alter the growth and so the outcome of dust. The size of monomers modifies the grain filling factor without impacting dust decoupling in the inner parts of the disc


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