Turbulence in the solar nebula and formation of the outer solar system
Turbulence dans la nébuleuse solaire primitive et formation du système solaire externe
Abstract
Turbulence is a major physical process of the solar system formation. However, its direct numerical simulation by available computers remains impossible, due to the dramatic range of dynamical scales in the flow. To circumvent this difficulty, a model enabling an effective reduction of the degrees of freedom of the problem is actually used. For accretion disks it is classically done by calculating only the mean quantities of the flow and parameterizing the fluctuations with a turbulent viscosity. We have used this approach to isolate the main physical processes governing the whole process of planetary formation. By using the constraint relying in the D/H fractionation between water and hydrogen, we have precisely defined the thermodynamical properties of the solar nebula in which comets and giant planets formed. Especially, we have been able to interpret current observational data on giant planets composition. However, the outer solar system bodies exhibit a large variety in their compositions which seems closely related to turbulent fluctuations in the solar nebula. Since fluctuations are explicitally excluded from the standard approach, it seems necessary to develop a new model in which they are calculated. The theoretical basis of such model has been defined and applied to the simplest shear flow : the plane Couette flow.
La turbulence est un phénomène physique majeur de la formation du système solaire. Malheureusement, la simulation numérique d'un fluide astrophysique réaliste est hors de portée des meilleurs super-calculateurs actuels. Pour surmonter cet écueil, on a généralement recours à des modèles qui permettent de réduire le nombre de degrés de liberté du problème. Nous avons utilisé une approche traditionnelle, de type champ moyen avec viscosité turbulente, pour identifier les phénomènes physiques directeurs de la formation du système solaire externe. En utilisant le fractionnement isotopique du rapport D/H entre l'eau et l'hydrogène moléculaire, nous avons déterminé avec précision les conditions thermodynamiques sous-jacentes à la formation des comètes et des planètes géantes. En particulier, nous avons pu reproduire les mesures actuelles sur la composition élémentaire des planètes géantes. Cependant, les objets du système solaire externe montrent une grande disparité de compositions qui semble être intimement liée aux fluctuations turbulentes dans la nébuleuse solaire primitive. Ces fluctuations étant explicitement evincées de l'approche traditionnelle, nous devons développer un modèle les prenant en compte. Les fondements théoriques d'un tel modèle ont été définis, puis appliqués à un écoulement cisaillé simple : l'écoulement de Couette plan.
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Astrophysics [astro-ph]
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