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Photoevaporation des disques protoplanétaires par les photons UV d'étoiles massives proches : observation de proplyds et modélisation

Evénement le 25 sept 2017 à 14h00

Intervenant : Jason CHAMPION

Doctorant à l'IRAP

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Résumé : Les disques protoplanétaires entourant les jeunes étoiles sont les embryons des systèmes planétaires. A différentes phases de leur évolution, ils peuvent subir d’importantes pertes de masse par photoévaporation : des photons énergétiques, issus de l’étoile centrale ou d’une étoile voisine, chauffe le disque qui perd en masse sous l’échappement des particules. Cependant, ce mécanisme et la physique sous-jacente n’ont que peu été contraints par les observations. Les objectifs de cette thèse sont d’étudier la photoévaporation dans le cas particulier où elle est due à des photons FUV, d’identifier les principaux paramètres physiques (densité, température) et processus (chauffage et refroidissement) impliqués, et d’estimer son impact sur l’évolution dynamique des disques. L’étude repose sur le couplage observations – modélisations des disques photoévaporés par les photons UV en provenance d’étoiles massives proches. Ces objets, appelés ”proplyds”, ont leur disque entouré d’une large enveloppe nourrie des flots de photoévaporation.
A l’aide d’un modèle 1D d’une région de photodissociation, j’ai développé un modèle pour l’émission dans l’infrarouge lointain des proplyds. Ce modèle a été utilisé pour interpréter les observations, issues principalement de Herschel, pour quatre proplyds. Il apparait que les conditions physiques en surface de leur disque sont similaires: une densité de l’ordre de 1e6 cm−3 et une température d’environ 1000 K. Cette température est maintenue par un équilibre dynamique : si la surface se refroidit, la perte de masse diminue et l’enveloppe se réduit. L’atténuation UV produite par l’enveloppe diminue alors et le disque, recevant plus de photons UV, chauffe. La majorité du disque peut s’échapper sous forme de flots de photoévaporation avec des taux de perte de masse de quelques 1e-7 M⊙ yr−1 ou plus, en accord avec les observations précédentes des traceurs du gaz ionisé.
A la suite de ce travail, j’ai développé un modèle hydrodynamique 1D pour étudier l’évolution dynamique d’un disque en photoévaporation par un champ de rayonnement externe. Le code inclut l’évolution visqueuse due à la turbulence et des prescriptions pour différents types de photoévaporation, incluant la prescription dans le cas défini par les observations et modèles décrits précédemment. Dans ce cas, deux régions du disque évoluent différemment. L’évolution dynamique du disque externe, où les flots de photoévaporation se développent, est dominée par la photoévaporation. Le disque externe se dissipe dans un temps de 1e5 ans, laissant un disque tronqué. Le disque interne, où la gravitation retient les flots, est aussi impacté en raison d’un transfert de masse vers le disque externe en photoévaporation, mais l’accroissement de la perte de masse est faible. Le disque interne, dont l’évolution est dominée par la viscosité, peut survivre quelques 1e6 ans. Finalement, j’ai effectué une étude statistique en utilisant ce modèle et montré qu’il était capable de reproduire des observations d’un grand échantillon de disques dans Orion où la photoévaporation externe est supposée modifier la fonction de masse des disques.
D’après mes résultats, la photoévaporation externe est très efficace dans le disque externe. A moins que des planètes puissent se former en moins de 1e5 ans, leur formation semble difficile ici. Le disque interne est un environnement beaucoup plus favorable. Les modèles de synthèse de populations planétaires, étudiant les impacts à l’échelle d’une grande population, sont une perspective prometteuse de ce travail car ils peuvent offrir la possibilité d’étudier l’évolution de systèmes planétaires en formation et irradiés par les étoiles massives voisines. Dans le futur proche, l’arrivée du James Webb Space Telescope et sa haute résolution spatiale dans l’infrarouge, en synergy avec ALMA dans le submillimétrique, vont permettre de sonder plus directement les propriétés des flots de photoévaporation et d’avoir une vision locale de ses effets.

Composition du jury de thèse :

Olivier BERNE   Chargé de Recherche   Université Toulouse 3   Directeur de thèse
Maryvonne GERIN   Directeur de Recherche   Ecole Normale Supérieure   Rapporteur
Yann ALIBERT   Chargé de Recherche   University of Bern   Rapporteur
Emilie HABART   Maître de Conférences   Université Paris-Sud   Examinateur
Karine DEMYK   Directeur de Recherche   Université Toulouse 3   Examinateur
Emmanuel CAUX   Directeur de Recherche   Université Toulouse 3   Examinateur
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