Thèse Vers un Traitement en 2D de la Rotation dans un Code d'Évolution Stellaire 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 : Kevin BELKACEM Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-01T23:59:59 La rotation joue un rôle fondamental dans la structure interne et l'évolution des étoiles. Elle déforme l'étoile par l'accélération centrifuge, et induit des instabilités et circulations à large échelle qui transportent du moment cinétique et des éléments chimiques. Le transport d'éléments chimique peut prolonger la vie des étoiles et donc rendre la détermination de l'âge moins précise. Son traitement est cependant délicat dans les codes d'évolution stellaire, traditionnellement en 1D, car la déformation de l'étoile par la rotation dépend de la latitude et brise la symétrie sphérique, rendant le problème intrinsèquement bidimensionnel.
Pour contourner cette difficulté, Zahn (1992) a proposé que la turbulence induite par la rotation différentielle soit fortement anisotrope dans les zones radiatives, conduisant à une rotation presque uniforme horizontalement et variable uniquement radialement. Cette hypothèse permet de ramener le problème à une dimension, selon l'approche dite de « rotation en coquilles », largement utilisée dans les codes 1D. C'est l'approche utilisé dans le code libre Cesam2k20 que nous développons.
Cependant, les observations héliosismiques et astérosismiques issues des missions CoRoT et Kepler ont montré que ce cadre théorique est insuffisant pour reproduire les profils de rotation observés du Soleil, des étoiles Dor et des géantes rouges. Cela implique l'existence de mécanismes supplémentaires de transport de moment cinétique, tels que les ondes internes de gravité, actuellement en cours d'implémentation dans Cesam2k20. Ces processus sont intrinsèquement 2D, en particulier dans la tachocline, zone clé de transition entre régions convective et radiative, où les échanges et le filtrage des ondes sont cruciaux.
Les travaux de thèse de Louis Manchon ont permis d'introduire dans Cesam2k20 un module capable de reconstruire une structure 2D à partir d'un modèle 1D en intégrant l'effet de l'accélération centrifuge. Cette structure sert ensuite à calculer les grandeurs physiques nécessaires au transport du moment cinétique, en utilisant notamment le formalisme de Mathis et Zahn (2004), mieux adapté aux effets bidimensionnels.
Ce projet vise à étendre ce module afin de suivre directement l'évolution temporelle de la rotation dans ce cadre 2D. La structure globale restera traitée en 1D pour conserver l'efficacité numérique, mais sera déformée en 2D à chaque pas de temps pour calculer le transport de moment cinétique de manière plus réaliste. Deux approches sont envisagées : l'extension du formalisme de Mathis et Zahn à des polynômes de Legendre d'ordre plus élevé, déjà amorcée, et le développement d'une méthode de volumes finis en 2D, plus ambitieuse mais plus générale.
Cette stratégie constitue un compromis entre les codes purement 2D, comme ESTER, très précis mais trop coûteux pour produire de grands ensembles de modèles, et les codes 1D classiques. Elle est particulièrement adaptée aux besoins de modélisation massive requis par les futures données de la mission PLATO. La validation se fera par comparaison avec les observations astérosismiques de Kepler et PLATO, ainsi qu'avec les résultats du code ESTER.
Le projet s'appuie sur une équipe expérimentée réunissant des spécialistes du transport de moment cinétique et du développement de Cesam2k20, et ambitionne de fournir un cadre de référence unique pour les futurs développements en évolution stellaire incluant la rotation de manière réaliste.

Bases solides en astrophysique et physique stellaire ;
Maitrise de programmation et de méthodes numériques basiques.