Observational signatures of planetary migration in the cold dust emission of protoplanetary disks
Signatures observationnelles de la migration planétaire dans l'émission des poussières froides des disques protoplanétaires
Résumé
The subject of this PhD thesis is related to the orbital evolution of planets in a protoplanetary disk made of gas and dust around a young star (the first ten million years after the star's formation). The gravitational interaction between planets and the protoplanetary disk gas rapidly changes the distance between the planets and the star. This is known as planetary migration. Many studies have examined how the direction and speed of planetary migration depend on the planet's mass and the physical properties of the disk gas, with the aim to explain the orbital properties of exoplanets. Dust is most often discarded in this kind of studies because its mass content is much smaller than that of the gas and it should therefore have a negligible impact on planetary migration. Yet, dust has gained considerable importance over the past few years owing to the rapidly growing number of multi-wavelength spatially resolved observations of the dust emission in protoplanetary disks. These observations show that dust emission, in particular the cold dust emission at radio wavelengths such as that probed by the ALMA interferometer, can feature structures (spirals, rings and gaps, crescent-shaped asymmetries...) that are very similar to those imparted by disk-planets interactions. For this reason, structures in the dust emission are often interpreted as signatures of the presence of hidden planets. These structures therefore stress the need to better understand how disk-planets interactions generally, and planetary migration more specifically, impact the dust emission in protoplanetary disks. This is the aim of my PhD thesis. To reach this goal, I have carried out 2D and 3D hydrodynamical simulations modeling both the dust and gas of a protoplanetary disk where one or several planets form and migrate. The simulations results have been post-processed by dust and line radiative transfer calculations to compute synthetic maps of the disk emission that are directly comparable to observations. I show that the large-scale intermittent migration towards its star of a planet with a mass typically between those of Saturn and Jupiter is able to generate multiple rings of millimeter dust particles. These annular structures in the dust distribution take the form of bright and dark rings in the radio emission that resemble those observed in several disks. The intensity contrast between bright and dark rings is detectable with ALMA's current sensitivity. Other aspects explored in this thesis include the kinematic signatures of the presence of a massive planet in the gas emission of its disk, and the dust emission at the Lagrange points of a migrating planet.
Cette thèse porte sur l'évolution orbitale de planètes dans un disque protoplanétaire constitué de gaz et de poussières autour d'une jeune étoile (les dix premières millions d'années après la formation de l'étoile). L'interaction gravitationnelle entre les planètes et le gaz du disque protoplanétaire change rapidement la distance des planètes à leur l'étoile. C'est ce que l'on appelle la migration planétaire. De nombreuses études ont examiné comment la direction et la vitesse de cette migration planétaire dépendent de la masse de la planète et des propriétés physiques du gaz des disques, afin d'interpréter les propriétés orbitales des exoplanètes. Les poussières sont la plupart du temps négligées dans ce type d'études car elles représentent une masse très inférieure à celle du gaz dans les disques, et ont donc a priori moins d'impact sur la migration planétaire que le gaz. Cependant, la poussière a connu un regain d'intérêt au cours des dernières années en raison du nombre croissant d'observations multi-longueurs d'onde spatialement résolues de l'émission de la poussière des disques protoplanétaires. Cette émission, en particulier l'émission de poussières froides telle qu'observée en radio par l'interféromètre ALMA, peut révéler des structures (spirales, anneaux sombres et brillants, asymétries en forme de croissant...) très similaires à celles engendrées par les interactions disque-planète. Pour cette raison, les structures dans l'émission des poussières sont souvent attribuées à la présence de planètes non-détectées. Ces structures soulignent donc la nécessité de mieux comprendre dans quelle mesure les interactions disque-planète en général, et la migration planétaire en particulier, jouent un rôle dans l'émission des poussières des disques protoplanétaires. Cette problématique constitue la pierre angulaire de mon travail de thèse. Pour ce faire, j'ai réalisé des simulations hydrodynamiques 2D et 3D modélisant à la fois la poussière et le gaz d'un disque protoplanétaire dans lequel une ou plusieurs planètes se forment et migrent. Les résultats des simulations ont ensuite été post-traités par des calculs de transfert radiatif dans la poussière et le gaz afin de calculer des cartes synthétiques de l'émission du disque, directement comparables aux observations. Je montre en particulier que la migration intermittente à grande échelle d'une planète dont la masse est typiquement comprise entre celle de Saturne et celle de Jupiter est capable de générer des anneaux multiples de poussières millimétriques. Ces structures annulaires dans la distribution des poussières prennent en fait la forme d'anneaux sombres et brillants dans l'émission radio, qui ressemblent à ceux observés dans plusieurs disques. Le contraste d'intensité entre les anneaux sombres et brillants est détectable avec la sensibilité actuelle d'ALMA. D'autres aspects explorés dans cette thèse comprennent les signatures cinématiques de la présence d'une planète massive dans l'émission de gaz, et l'émission de poussières aux points de Lagrange d'une planète qui migre.
Origine : Version validée par le jury (STAR)