Ondes magnéto-gravito-inertielles dans les étoiles et les planètes géantes gazeuses à l'heure des missions spatiales : de la sismologie stellaire à la dissipation de marée planétaire - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Magneto-gravito-inertial waves in stars and gas giant planets at the time of space missions : from stellar seismology to planetary tidal dissipation

Ondes magnéto-gravito-inertielles dans les étoiles et les planètes géantes gazeuses à l'heure des missions spatiales : de la sismologie stellaire à la dissipation de marée planétaire

Hachem Dhouib
  • Function : Author
  • PersonId : 1390570
  • IdRef : 278710727

Abstract

Magneto-gravito-inertial waves propagate within rotating magnetised stably stratified regions, with the Lorentz force, the Archimedean force and the Coriolis acceleration acting as restoring forces. These waves play an essential role in probing the interior of stars and planets and redistributing angular momentum. This thesis focuses on two fields of study for which these waves are essential: theoretical magneto-asteroseismology in intermediate-mass and massive stars, and tidal dissipation in gas giant planets. First of all, gravito-inertial modes pulsators represent a goldmine for our overall understanding of stellar rotation. To exploit the information provided by the observations of these modes, it is crucial to improve our understanding of how the potentially rapid and differential rotation influences them, by taking into account the action of Coriolis and centrifugal accelerations, as well as that of a possible magnetic field. Within this framework, the traditional approximation of rotation (TAR) provides a flexible treatment of the adiabatic propagation of rotationally modified gravity modes, which is used for intensive seismic modelling of stars. However, it has been built on the assumptions of uniformly rotating spherical stars without magnetic field. Firstly, we generalise the TAR to take into account centrifugal deformation and differential rotation simultaneously. We identify its range of applicability and examine their observational signatures and detectability. Next, we focus on the effect of a general azimuthal magnetic field, which is one of the key mechanisms that could potentially explain the strong angular momentum transport observed in stars. To this end, we generalize the TAR by simultaneously taking into account such a magnetic field and the differential rotation. We derive the asymptotic properties of magneto-gravito-inertial modes and explore the detectability of different possible field configurations. We demonstrate that equatorial fields will be the most favourable using observations from the Kepler and TESS missions and PLATO in the future. In the second part of this thesis, we focus on gas giant planets, which are also fast rotators and have strong interactions with their environment in our solar system and in exoplanetary systems. The dissipation of tidally excited waves shapes their orbital architecture and rotational dynamics. Recently, astrometric observations of Jupiter and Saturn systems have challenged our understanding of their formation and evolution, with stronger tidal dissipation in these planets than previously predicted, in contrast to what appears to be weaker in gas giant exoplanets. These new constraints are motivating the development of realistic models of tidal dissipation inside these planets. At the same time, the Juno and Cassini space missions have revolutionised our knowledge of the interiors of Jupiter and Saturn, whose structure is a combination of stably stratified zones and convective regions. We have therefore developed new numerical simulations of linear tidal waves in Jupiter's interior, using internal structure models that satisfy Juno's observational constraints by taking into account viscous, thermal and chemical diffusions. We explore the properties of tidal dissipation as a function of key hydrodynamic and structural parameters, and demonstrate the importance of stably stratified regions in reaching the dissipation values observed for Jupiter.
Les ondes magnéto-gravito-inertielles se propagent au sein des régions stablement stratifiées magnétisées en rotation en ayant pour forces de rappel la force de Lorentz, la poussée d'Archimède et l'accélération de Coriolis. Ces ondes jouent un rôle essentiel pour sonder l'intérieur des étoiles et des planètes et y redistribuer le moment cinétique. Cette thèse se focalise sur deux domaines d'études pour lesquels ces ondes sont essentielles : la magnéto-astérosismologie théorique dans les étoiles de masses intermédiaires et massives et la dissipation de marée dans les planètes géantes gazeuses. Tout d'abord, les pulsateurs en modes gravito-inertiels constituent une mine d'or pour notre compréhension globale de la rotation stellaire. Pour exploiter les informations fournies par l'observation de ces modes, il est crucial d'améliorer notre compréhension de la façon dont la rotation stellaire, potentiellement rapide et différentielle, les influence en prenant en compte l'action des accélérations de Coriolis et centrifuge ainsi que celle d'un possible champ magnétique. Dans ce cadre, l'approximation traditionnelle de la rotation (TAR) fournit un traitement flexible de la propagation adiabatique des modes de gravité modifiés par la rotation, qui est utilisé pour la modélisation sismique intensive des étoiles. Cependant, il a été construit sur les hypothèses d'étoiles sphériques en rotation uniforme sans champ magnétique. En premier lieu, nous généralisons donc la TAR pour prendre en compte simultanément la déformation centrifuge et la rotation différentielle. Nous identifions son domaine d'applicabilité et nous examinons leurs signatures observationnelles et leur détectabilité. Ensuite, nous nous concentrons sur l'effet d'un champ magnétique azimutal qui est l'un des mécanismes clés pour potentiellement expliquer le fort transport du moment cinétique observé dans les étoiles. Pour cela, nous généralisons la TAR en prenant en compte simultanément un tel champ magnétique et la rotation différentielle. Nous dérivons les propriétés asymptotiques des modes magnéto-gravito-inertiels et nous explorons la détectabilité de différentes configurations de champ possibles. Nous démontrons que ce sont les champs équatoriaux qui seront les plus favorables en exploitant les observations provenant des missions Kepler et TESS et PLATO dans le futur. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous concentrons sur les planètes géantes gazeuses qui sont aussi des rotateurs rapides et qui ont de fortes interactions avec leur environnement dans notre système solaire et dans les systèmes exoplanétaires. La dissipation des ondes excitées par les marées façonne leur architecture orbitale et leur dynamique rotationnelle. Récemment, les observations astrométriques des systèmes de Jupiter et de Saturne ont remis en question notre compréhension de leur formation et de leur évolution avec une dissipation des marées plus forte dans ces planètes que ce qui avait été prédit auparavant qui contraste avec celles des exoplanètes géantes gazeuses qui semble plus faible. Ces nouvelles contraintes motivent le développement de modélisations réalistes de la dissipation de marée à l'intérieur de ces planètes. Simultanément, les missions spatiales Juno et Cassini ont révolutionné notre connaissance des intérieurs de Jupiter et de Saturne dont la structure est une combinaison de zones stablement stratifiées et de régions convectives. Nous développons donc de nouvelles simulations numériques d'ondes de marée linéaires à l'intérieur de Jupiter en utilisant des modèles de structure interne qui satisfont les contraintes observationnelles de Juno en prenant en compte les diffusions visqueuses, thermiques et chimiques. Nous explorons les propriétés de la dissipation de marée en fonction des paramètres clés hydrodynamiques et structurels et nous démontrons l'importance des régions stablement stratifiées pour atteindre les valeurs de dissipation observées pour Jupiter.
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Dates and versions

tel-04606839 , version 1 (10-06-2024)

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  • HAL Id : tel-04606839 , version 1

Cite

Hachem Dhouib. Ondes magnéto-gravito-inertielles dans les étoiles et les planètes géantes gazeuses à l'heure des missions spatiales : de la sismologie stellaire à la dissipation de marée planétaire. Astrophysique [astro-ph]. Université Paris Cité, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UNIP7154⟩. ⟨tel-04606839⟩
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