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Theses Year : 2013

Observations and Modelling of planetary systems around nearby stars

Observations et Modélisation des systèmes planétaires autour des étoiles proches

Abstract

Debris disks orbiting in the environment of nearby stars are a very important indicator of extrasolar planetary system properties. From space and from the ground, current observational facilities enable a multi-wavelength determination of the disk structures and of the dust properties. This thesis addresses the topic of debris disk modelling, based on data from multiple instruments including first of all the Herschel and Hubble space telescopes, and the VLTI, CHARA and KIN infrared interferometers. My first research projects took place in the framework of two key programs from the Herschel Space Observatory dedicated to the study of circumstellar disks around nearby stars. As part of the GASPS project, I obtained Herschel far-infrared spectro-photometric observations of HD 181327, a young (12[+8\-4] Myr) Sun-like star surrounded by a massive, 90 AU-wide debris belt, also imaged in scattered light by the Hubble Space Telescope. Proper determination of the belt geometry allows one to focus on modelling the dust properties. I used the GRaTer radiative transfer code to demonstrate that the system hosts a population of icy planetesimals that may be a source for the future delivery of water and volatiles onto forming terrestrial planets. I discuss additional results obtained with Herschel related to young debris disks, in particular HD 32297, and to faint Kuiper- Belt analogues. Exo-zodiacal disks (exozodis), those analogues to the Solar System Zodiacal cloud, represent a little known hot (or warm) counterpart of debris disks located close the habitable zone (inside of a few AUs). They are revealed by their near- to mid-infrared emission and can be assessed with the required accuracy and resolution with optical interferometers. In the case of the near edge-on star β Pictoris (12[+8\-4] Myr), I show that a significant fraction of the outer disk scatters light towards the small field-of-view of the interferometers; an inner hot component must nonetheless be invoked to explain the measured near-infrared excess. Based on the example of the star Vega (440 ± 40 Myr), I introduce a methodology to study inner dust disks and I show that hot exozodis are characterized by an abundance of submicron-sized grains, close to the star's sublimation distance. From a theoretical point-of-view, the production mechanism for these small, unbound grains is not understood. I go into more details on the case of the Fomalhaut (440 ± 40 Myr) double-component (warm and hot) exozodiacal disk. I develop a new model for the calculation of the dust sublimation distances, and I address the various processes that can affect a dust grain in order to provide a framework for interpreting the exozodi: the hot exozodiacal disk may be the indirect signature of an asteroid belt with a particularly high dynamical activity. Lastly I draw up a summary of the properties of dusty debris disks and of what they can teach us when compared to the Solar System. I propose possible future research directions for further investigations of planetary systems and their dynamics.
Les disques de débris orbitant dans l'environnement des étoiles proches constituent un indicateur très important des propriétés des systèmes planétaires extra-solaires. Depuis l'espace et au sol, les moyens observationnels actuels permettent de déterminer dans divers domaines de longueurs d'ondes les propriétés spatiales de ces disques et celles des grains de poussières circumstellaires. Cette thèse aborde le sujet de la modélisation des disques de débris, à partir de données fournies par de multiples instruments, en premier lieu les télescopes spatiaux Hubble et Herschel, et les interféromètres infrarouges du VLTI, CHARA, et KIN. Mes premiers projets ont pris place dans le cadre de deux programmes-clés de l'Observatoire Spatial Herschel dédiés à l'étude des disques circumstellaires autour des étoiles proches. Au sein du projet GASPS, j'ai obtenu des observations spectro-photométriques de HD 181327, une jeune étoile (12[+8\-4] millions d'années, Ma) de type solaire entourée d'un anneau de débris massif de 90 unités astronomique (UA) de rayon vu aussi en lumière diffusée par le télescope spatial Hubble. La bonne détermination de la géométrie de l'anneau permet de se concentrer sur la modélisation de la distribution spectrale d'énergie, afin de mieux caractériser les propriétés des poussières. J'ai utilisé le code de transfert radiatif GRaTer et démontré que le système héberge une population de planétésimaux glacés, qui pourrait représenter une source d'eau et de volatils susceptible d'être libérée sur des planètes telluriques encore en formation. Je discute quelques résultats additionnels obtenus avec Herschel à propos de disques de débris jeunes, notamment HD 32297, et d'analogues faibles de la Ceinture de Kuiper. Les disques exo-zodiacaux (exozodis), analogues du nuage Zodiacal du Système Solaire, représentent une contrepartie chaude (ou tiède) aux disques de débris, résidant proche de la zone habitable (moins de quelques unités astronomiques) et encore mal connue. Ils sont révélés par leur émission proche et moyen infrarouge et peuvent être étudiés avec la précision et la résolution requises grace à l'interférométrie optique. Dans le cas de l'étoile β Pictoris (12[+8\-4] Ma), dont le disque est vu par la tranche, une fraction significative du disque externe diffuse de la lumière vers le champ de vue des interféromètres ; une composante interne chaude doit tout de même être invoquée pour justifier de l'excès mesuré dans l'infrarouge proche. En m'appuyant sur l'exemple de l'étoile Véga (440 ± 40 Ma), je présente la méthodologie employée et démontre que les exozodis chauds se caractérisent par une abondance de poussières sub-microniques, près de la distance de sublimation de l'étoile. D'un point de vue théorique, le mécanisme de production de ces petits grains non-liés est encore incompris. J'aborde plus en détails le cas du disque exozodiacal à deux composantes (chaude et tiède) de Fomalhaut (440 ± 40 Ma). Je développe une nouvelle méthode de calcul des distances de sublimation et recense les processus variés qui peuvent affecter un grain de poussière afin de fournir un cadre pour l'interprétation : l'exozodi chaud à ~0.1 - 0.2 UA serait la signature indirecte d'une ceinture d'astéroïdes située à ~2 UA à l'activité dynamique particulièrement intense. Finalement, je dresse un bilan des propriétés des disques de débris et de ce qu'ils peuvent nous apprendre quand on les compare au Système Solaire, et propose de futures directions de recherche pour explorer davantage les systèmes planétaires et leur dynamique.
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Dates and versions

tel-00876169 , version 1 (23-10-2013)

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  • HAL Id : tel-00876169 , version 1

Cite

Jérémy Lebreton. Observations et Modélisation des systèmes planétaires autour des étoiles proches. Astrophysique stellaire et solaire [astro-ph.SR]. Université de Grenoble, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00876169⟩
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