Thèse la Matière Carbonée dans les Disques Proto-Planétaires avec les Grands Télescopes Ir H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France Laboratoire de recherche : Institut d'Astrophysique Spatiale Direction de la thèse : Emilie HABART ORCID 0000000191368043 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 Contexte : La matière solide carbonée joue un rôle majeur dans la formation planétaire, car elle absorbe efficacement la lumière, des ultraviolets à l'infrarouge, influençant ainsi la structure et l'évolution thermique et chimique des disques proto-planétaire, ces berceaux des futures planètes. Dans notre Système solaire, les régions internes (0,5 à 5 UA) présentent une forte déplétion en carbone solide par rapport aux régions externes (> 40 UA, Dartois et al. 2018). Comprendre si le gradient carbone/silicium (C/Si) est universel est essentiel pour déterminer si les exoplanètes rocheuses tendent à être riches en silicates plutôt qu'en carbone, ce qui a des conséquences majeures sur leur habitabilité en raison d'un refroidissement plus rapide et d'un arrêt précoce de la dérive des continents (Hakim et al. 2019).

Objectif principal : La thèse a pour but de caractériser la distribution spatiale et l'abondance de la matière solide carbonée sous forme de (nano-)poussière ou d'hydrocarbures dans les disques proto-planétaires. Ce sujet est encore très peu exploré à ce jour (seulement partiellement dans deux disques, Habart et al. 2021, Devinat et al. 2022). Les observations dans l'infrarouge (IR) thermique sont particulièrement adaptées en raison des signatures spectrales de la matière solide carbonée comme celles des hydrocarbures aromatiques polycycliques (ou PAH pour Polycyclic aromatic hydrocarbons) dans cette gamme de longueurs d'onde. Les données de spectro-imagerie IR les plus sensibles et à la plus haute résolution spectrale jamais obtenues ont récemment été capturées par le JWST, offrant une vue sans précédent des caractéristiques des bandes d'émission des hydrocarbures ou nano-grains carbonés (par exemple, Chown et al. 2024, El-yajouri et al. 2024). Cependant, avec une résolution spatiale limitée à 0,2'' à 5 µm, le JWST ne peut pas résoudre angulairement leur émission à l'échelle de quelques UA. L'instrument interférométrique MATISSE du VLTI, grâce à sa gamme spectrale (2,8-13 µm) et sa très haute résolution angulaire (1 UA), permet pour la première fois de sonder les régions internes (
Méthodologie : Le·a doctorant·e analysera les observations du JWST et de MATISSE obtenues sur un échantillon sélectionné de dix objets stellaires jeunes couvrant une gamme de luminosités et de masses stellaires, avec des disques présentant des morphologies variées (des sillons et des cavités de différentes tailles), ainsi que différentes caractéristiques d'émission de la poussière carbonée et silicatée. La modélisation sera réalisée à l'aide de modèles de (nano-)grains de poussière de pointe (THEMIS, « The Heterogeneous dust Evolution Model for Interstellar Solids », Jones et al. 2013, Ysard et al. 2024). Le·a doctorant·e bénéficiera de l'expertise de l'équipe AMIS de l'IAS en modélisation de la poussière et du « Centre d'expertise JWST/MIRI », hébergé à l'IAS et au CEA. Il·elle aura également le soutien technique du centre de données et d'opération (IDOC) de l'IAS pour le traitement de données JWST de haut niveau, ainsi que l'accès aux données MATISSE de haute qualité obtenues par l'OCA. Cette thèse garantira l'analyse fine des bandes d'émission des matériaux carbonés ainsi que la publication des premiers résultats permettant de tester l'universalité du gradient C/Si dans les jeunes systèmes extrasolaires.
Déroulement du projet en trois phases :
1) Calcul de grilles de modèles THEMIS : Contrairement à d'autres modèles de poussière, THEMIS calcule la structure des grains et leurs propriétés optiques directement à partir de leur composition et de leur taille, en utilisant la théorie de la physique de l'état solide. Cela est crucial, car les caractéristiques spectrales infrarouges des (nano-)grains carbonés sont très sensibles à ces paramètres. Le·a doctorant·e explorera les variations des propriétés sur toute la distribution de taille des grains, des échelles nanométriques au micron, avec des changements dans l'état d'hydrogénation, allant des matériaux aromatiques aux matériaux riches en aliphatiques. L'étudiant explorera également les variations de l'abondance relative des différentes populations de grains carbonés et silicatés et le rapport C/Si.
2) Collecte et ajustement des données infrarouges : Le·a doctorant·e collectera les données spectroscopiques du JWST et du VLTI. Il·elle ajustera les paramètres du modèle (distribution de taille, composition, abondance relative) pour reproduire les observations. Il·elle prendra en compte la distribution spatiale observée des bandes d'émission aromatiques et aliphatiques et de l'émission continuum, ainsi que la distribution spectrale d'énergie infrarouge intégrée. THEMIS sera couplé à un code de transfert radiatif pour assurer la cohérence avec la localisation de la poussière dans les modèles de transfert radiatif et le champ de rayonnement local.
3) Mesure de l'abondance relative du carbone et des silicates : Le·a doctorant·e mesurera l'abondance relative de la poussière carbonée et silicatée en fonction de la distance à l'étoile et discutera des résultats dans le contexte du gradient C/Si mesuré dans le Système solaire.

Nous cherchons un(e) candidat(e) intéressé(e) par la physique des milieux inter- et circumstellaire et le problème de la formation des planètes. Le(a) candidat(e) sera amené(e) à confronter les observations avec des modèles. Le(a) candidat(e) pourra participer dans certains cas au développement des modèles et/ou au développement de méthodes de comparaison entre observations et modèles.