Constraining the physical processes of protoplanetary disk evolution
Caractérisation des processus d'évolution des disques protoplanétaires
Résumé
The diversity observed in the exoplanet population likely originates in the variety of physical structures of protoplanetary disks, their progenitors. Considering the timescales for disk dissipation, it is clear that giant planets must form fast, within a few million years. In the standard core accretion model, this implies that micron sized particles have to grow within this short timescale to larger sizes. This PhD thesis is dedicated to adding observational constraints on several aspects of protoplanetary disk evolution in order to understand better the processes of planet formation. In particular, I worked on a statistical study of the dust mass distribution in protoplanetary disks located in the Chamaeleon II star-forming region, on the presence of dust depleted cavities in transition disks and on observational constraints on dust evolution mechanisms such as radial drift and vertical settling. I used mostly ALMA millimeter observations, which I combined with complementary disk tracers such as optical/infrared scattered light images. On several occasions, I modeled these observations with radiative transfer to constrain the structure of these protoplanetary disks.During this thesis, I have obtained important constraints on the vertical structure of protoplanetary disks, notably by studying a sample of 12 highly inclined disks. I find that the most inclined systems of this survey, where the vertical extent is best seen, are extremely thin at millimeter wavelengths, all the more when compared to their vertical extent seen with scattered light observations (probing smaller grains). This indicates that vertical settling is extremely efficient in these disks, which is favorable for fast grain growth in the disk midplane. Additionally, my study of the Chamaeleon~II star-forming region showed that the distribution of the disk dust mass statistically decreases with time. This is consistent with predictions from viscous evolution. Finally, with the study of a sample of 22 transition disks, I showed that their cavities can mostly be explained by the presence of planets. These results suggest that planets might already have formed in these disks, implying that the timescale available for planet formation is short. A possible mechanism allowing to boost planet formation is vertical settling. Indeed, as detailed previously, my studies showed that the vertical extent of protoplanetary disks is small at millimeter wavelengths, which implies that millimeter sized grains (and larger) are concentrated in a vertically thin midplane where the dust density is increased. Depending on when this vertical settling takes place, this mechanism is a good candidate for enhancing grain growth efficiency. Combined to other processes, vertical settling might allow to form planets in the earliest stages of disk evolution.
Une grande diversité est actuellement observée au sein des exoplanètes découvertes. L'étude des disques protoplanétaires permet d'en apprendre plus sur la formation des planètes. En particulier, les disques se dissipent en quelques millions d'années, ce qui implique que les planètes géantes doivent se former très rapidement à partir des petits grains de taille micrométrique présents initialement. Cette thèse vise à ajouter des contraintes observationnelles à plusieurs mécanismes qui contrôlent l'évolution des disques protoplanétaires, et donc la formation des planètes. En particulier, j'ai travaillé sur une étude statistique de la distribution de la masse de poussière dans des disques situés dans la région de formation stellaire Chamaeleon II, sur la présence de cavités dans les disques de transition et sur des contraintes observationnelles de quelques mécanismes d'évolution des poussières tels que la dérive radiale et la sédimentation verticale des grains. J'ai utilisé principalement des observations millimétriques ALMA que j'ai comparées avec d'autres traceurs comme par exemple des images aux longueurs d'onde du visible ou de l'infrarouge. À plusieurs reprises, j'ai modélisé ces observations par transfert radiatif pour contraindre la structure de ces disques protoplanétaires.Au cours de cette thèse, j'ai obtenu d'importantes contraintes observationnelles sur la structure verticale des disques protoplanétaires, notamment en étudiant un échantillon de 12 disques très inclinés. Aux longueurs d'onde du millimètre, les disques les plus inclinés de cette étude, où l'étendue verticale est directement visible, apparaissent extrêmement mince dans la direction verticale, significativement plus mince que les observations en lumière diffusée (grains plus petits). Ceci indique que la sédimentation verticale des poussières est extrêmement efficace dans ces disques, ce qui est favorable à la croissance rapide des grains dans le plan médian du disque. Par ailleurs, en étudiant la région Chamaeleon II, j'ai montré que la distribution de masse des disques diminue statistiquement avec le temps. Ce résultat est en accord avec les prédictions de l'évolution visqueuse des disques. Enfin, l'étude d'un échantillon de 22 disques de transition a permis de montrer que la plupart des cavités de ces disques pourraient être causées par des planètes interagissant avec le disque. Ces résultats suggèrent donc que des planètes se sont peut-être déjà formées dans ces disques, ce qui implique que leur temps de formation est extrêmement court. Le mécanisme de sédimentation verticale des grains est un bon candidat permettant d'accélérer la formation des planètes. En effet, comme décrit précédemment, j'ai montré que l'étendue verticale des grains millimétrique est très faible, ce qui implique que ces grains sont très concentrés dans le plan médian. Une forte densité de poussière étant favorable à une croissance accélérée des grains de poussière, ce mécanisme pourrait être favorable à la formation de planètes très tôt dans l'évolution des disques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)