Dynamique des particules solides dans les tourbillons protoplanétaires.

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dans deux cas de figure. D’une part, lorsque l’on considère uniquement un écoulement de gaz, nous verrons qu’il sera possible de bâtir un modèle de tourbillon stationnaire. D’autre part, lorsqu’on tient compte de la présence de particules solides au sein de cet écoulement, nous verrons que la résolution sera plus complexe. Il faudra alors délaisser l’approche fluide au profit d’une approche particulaire.

L’étude réalisée pendant ce stage est exclusivement analytique, nous évoquerons néanmoins des résultats de simulations numériques auxquels s’adapte notre modèle.

2) Le laboratoire d’astrophysique de Marseille (LAM)

Le LAM, un des quelques laboratoires spatiaux en France, associe la recherche fondamentale en Astrophysique et la recherche technologique en instrumentation. Le LAM participe depuis 40 ans à de nombreuses expériences spatiales (SOHO, ISO, Galex, Rosetta, Herschel, COROT,...) et aux grands programmes des observatoires au sol (ESO VLT, VISTA, CFHT...).

2.1) Thèmes de recherche

Les principaux thèmes de recherche sont la cosmologie, la formation et l’évolution des galaxies, le milieu interstellaire, la formation des systèmes planétaires, le système solaire et l’instrumentation optique. Les programmes de recherche sont conduit dans le cadre de collaborations internationales et internationales (ANR, CNES, CNRS, Communauté Européenne, ESO, ESA, région PACA,...).

Les équipes conduisent des grandes campagnes d’observations, dans le domaine de la cosmologie, de la formation et de l’évolution des galaxies (COSMOS, sondages Herschel, GALEX, GHASP, VIPERS, VVDS,...), et dans le domaine de l’étude des exoplanètes et l’exploration du système solaire (COROT, ROSETTA, SOHO, OHP-SOPHIE). Elles conduisent l’analyse et l’interprétation des données en s’appuyant sur des simulations. Elles préparent la participation du LAM aux grands programmes du futur (EUCLID, PLATO, SVOM, VLT-SPHERE, 3D-NTT, EELT, ALMA,...), et conduisent la R&D nécessaire pour préparer l’instrumentation de prochaine génération.

2.2) Instrumentation

Le LAM réalise des instruments embarqués sur satellites (SOHO, ISO, Galex, Rosetta, Herschel, Corot,...). Il participe à la construction d’instruments majeurs pour les télescopes au sol (VLT-VIMOS, VLT-SPHERE, 3D-NTT,...). Le LAM développe des concepts instrumentaux innovants à cœur opto-mécanique dans un domaine couvrant de l’UV lointain (1200A) au sub-millimétrique (0.5 mm), avec une spécialisation autour de l’imagerie et la spectroscopie multi-objet à grand champ, et de la haute résolution angulaire. Le LAM gère deux plate-formes technologiques mutualisées ouvertes aux laboratoires de recherche et aux entreprises incluant des moyens de test en environnement spatial, et le polissage de grandes pièces optiques très asphériques jusqu’à de grands diamètres de 2.5m. Ces moyens lourds regroupent des moyens d’assemblage, intégration et tests en environnement spatial : vide, cryogénie jusqu’à 4K, vibrations. 

Avec un ensemble de services techniques regroupant des compétences couvrant l’optique, la mécanique, et le contrôle électronique, le LAM est spécialisé dans l’approche système des instruments, et l’assemblage, l’intégration, les tests et la qualification des grands instruments des observatoires au sol ou dans l’espace. Les équipes du LAM sont amenées à piloter des projets instrumentaux pour le compte des agences de moyens nationales et internationales (CNES , ESA,NASA , ESO,..).

3) Scénario de la formation planétaire

3.1) Les deux étapes du scénario des planétésimaux

Ce scénario, dit des « planétésimaux », comprend essentiellement deux étapes :

une première étape pendant laquelle l’évolution est dominée par la composante gazeuse, les particules solides en suspension dans le gaz s’agglomérant pour former une multitude de planétoïdes (ou planétésimaux) ; une seconde étape pendant laquelle l’évolution est dominée par la force gravitationnelle qui agit sur les planétésimaux en orbite autour de l’étoile. Les traces d’impacts à la surface de tous les corps du Système solaire attestent de l’existence d’une phase de collisions intense au moment de leur formation.

L’étape gravitationnelle, étudiée de façon aussi bien théorique que numérique, est globalement assez bien comprise.

L’étape hydrodynamique reste très mal comprise, notamment à cause de notre méconnaissance de la turbulence dans les disques protoplanétaires (défini dans le paragraphe suivant).

Une contrainte importante de ce scénario est que les planètes géantes gazeuses doivent être formées avant la dissipation du gaz qui, selon les observations, ne survit que quelques millions d’années. Autre contrainte, c’est que la formation des planétésimaux eux-mêmes n’est pas clairement expliquée par ce modèle.

3.2) L’effondrement du gaz et la formation du disque

Tout débute au sein d’un nuage moléculaire de plusieurs années lumières de diamètre, constitué principalement d’hélium et d’hydrogène, dans lequel peuvent se dérouler les mécanismes à l’origine des étoiles. Les étoiles formées évoluent et, en fin de vie, finissent souvent par exploser en donnant une Supernova. Cette explosion a pour effet de diffuser dans le milieu interstellaire les éléments chimiques qui ont été synthétisés tout au long de la vie de l’étoile et durant son explosion. Ces éléments lourds (C, Si, Fe...) se retrouvent sous forme de particules solides en suspension dans le gaz interstellaire. De plus, l’onde de choc induite par l’explosion des étoiles en fin de vie tend à favoriser l’effondrement du gaz environnant. Celui ci donnera de nouvelles étoiles. En effet dans cet effondrement, la plus grande partie de la masse se condense au centre de la structure en formant une protoétoile dont le cœur s’échauffe sous l’action des forces de pression et qui finit par «s’allumer» lorsque la température est suffisante pour amorcer des réactions de fusion H-H. L’étoile jeune ainsi formée reste entourée d’un disque résiduel (environ 100 AU) contenant gaz et matériau solide utilisés ensuite pour former les planètes. Ce sont les disques protoplanétaires.

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