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Thèse Année : 2021

On the transport of angular momentum in stellar radiative zones in 2D

Du transport de moment cinétique dans les zones radiatives stellaires, en 2D

Louis Manchon
  • Fonction : Auteur

Résumé

Rotation has important consequences for stellar internal structure and evolution. The centrifugal force deforms the star and balances gravity, mimicking a lower mass star. Most importantly, meridional circulations and rotation-induced turbulence mixes chemical elements, extending the stellar lifetime and affecting age determinations, one of the most important problems in astrophysics. Lastly, the rotation-convection interaction generates magnetic fields. The associated activity has a determining influence on the survival of planetary atmospheres. Asteroseismic data from the space missions CoRoT and Kepler have shown that current 1D models of angular momentum transport in radiative zones (turbulent viscosity and meridional circulation) are not satisfactory. Other mechanisms must be active, such as internal gravity waves, magnetic fields, etc. All models proposed for these mechanisms are incomplete and must, in particular, account for 2D effects. The 1D description of rotation is usually justified by the fact that turbulence is much stronger horizontally than vertically in radiative zones, suppressing variations of angular velocity. This assumption may not be verified at near the rotation axis. Moreover, because internal gravity waves are generated at the base of convective envelopes, the Doppler shift experienced by these waves when they enter the radiative zone should depend on latitude. These waves are further filtered in the transition zone between the convective and radiative zones, a zone that has a strong differential rotation. This PhD is devoted to the implementation in a stellar evolution code of a simplified treatment of transport of angular momentum in 2D. This treatment is based on a deformation method that enables the computation of the 2D structure of the star, as well as the rotation-induced perturbations of the various fields. The transport of angular momentum is then treated in 2D, and will allow the further study of extra mechanisms of transport.
La rotation a d'importantes conséquences sur la structure interne des étoiles et leur évolution. La force centrifuge déforme l'étoile et s'oppose à la gravité, mimant une étoile de plus faible masse. Plus important encore, la circulation méridienne et la turbulence induites par la rotation mélangent les éléments chimiques, prolongeant la vie de l'étoile et altérant la détermination de son âge, un problème majeur en astrophysique. Enfin, l'interaction rotation-convection génère des champs magnétiques. L'activité associée a une influence décisive sur la survie des atmosphères planétaires. Les données astérosismiques des missions spatiales CoRoT et Kepler ont montré que les modèles 1D actuels de transport du moment cinétique dans les zones radiatives (viscosité turbulente et circulation méridienne) ne sont pas satisfaisants. D'autres mécanismes doivent être actifs: les ondes internes de gravité, les champs magnétiques, etc. Tous les modèles les décrivant sont actuellement incomplets et doivent en particulier tenir compte des effets 2D. La description 1D de la rotation est généralement justifiée par le fait que, dans les zones radiatives, la turbulence est beaucoup plus forte horizontalement que verticalement, supprimant les variations latitudinales de vitesse angulaire. Cette hypothèse pourrait être invalide près de l'axe de rotation. De plus, les ondes internes de gravité étant générées à la base des enveloppes convectives, le décalage Doppler qu'elles subissent en entrant dans la zone radiative dépend de la latitude. Elles sont ensuite filtrées dans la zone de transition entre les régions convective et radiative, présentant une forte rotation différentielle. Cette thèse est dédiée à l'implémentation dans un code d'évolution stellaire d'un traitement simplifié du transport du moment cinétique en 2D. Ce traitement est basé sur une méthode de déformation permettant de calculer la structure 2D de l'étoile, ainsi que les perturbations des différents champs induites par la rotation. Le transport du moment cinétique est ensuite traité en 2D, et permettra d'étudier plus en détail d'autres mécanismes de transport.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03222312 , version 1 (10-05-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03222312 , version 1

Citer

Louis Manchon. On the transport of angular momentum in stellar radiative zones in 2D. Solar and Stellar Astrophysics [astro-ph.SR]. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASP006⟩. ⟨tel-03222312⟩

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