Etude des propriétés des poussières dans les disques protoplanétaires

Soutenance de thèse de Maxime Roumesy - Jeudi 12 novembre 2026 à 14h00 - Salle Manuel Forestini IPAG

Depuis la découverte de la première exoplanète, le nombre de détections n’a cessé d’augmenter, jusqu’à dépasser les 8 000 exoplanètes répertoriées aujourd’hui. Pourtant, la question de leur formation reste un mystère. Tout commence dans les disques protoplanétaires, des environnements riches en gaz et en poussières qui constituent le véritable berceau des planètes. Dans ces disques jeunes, les grains de poussière évoluent sous l’effet de la coagulation, de la fragmentation et des interactions dynamiques, jusqu’à former des corps de plus en plus massifs. Comprendre comment l’on passe de grains submicrométriques à des planétésimaux de plusieurs kilomètres, capables d’initier la formation planétaire, demeure aujourd’hui un enjeu majeur.

Mon travail s’inscrit dans cette problématique en cherchant à mieux caractériser les poussières présentes dans ces disques. En effet, leur taille, leur structure et leur composition conditionnent directement leur évolution. À travers les observations dans le proche infrarouge, la lumière reçue est principalement diffusée par la poussière et porte avec elle toute l’information sur sa nature. L’enjeu est donc d’apprendre à lire cette information. Parmi les diagnostics disponibles, la fonction de phase de diffusion décrit la distribution angulaire de la lumière diffusée par la poussière. Mais son extraction à partir des disques jeunes reste délicate, en particulier à cause de leur géométrie complexe.

C’est dans ce contexte que j’ai développé DRAGyS, un outil conçu pour estimer la géométrie des disques protoplanétaires et extraire leur fonction de phase directement à partir de l’image du disque. DRAGyS exploite la structure en anneaux des disques pour identifier leur géométrie, puis mesure la fonction de phase tout en la corrigeant d’un effet géométrique souvent négligé : le limb brightening. Grâce à son interface graphique, l’extraction devient rapide et homogène, ouvrant ainsi la voie à une étude statistique des poussières dans les disques protoplanétaires.

J’ai ensuite appliqué cet outil à une trentaine de disques, afin d’en dégager les grandes tendances. Cette étude statistique révèle deux familles principales de poussières : l’une compatible avec des agrégats fractals très poreux, l’autre avec des grains plus petits et plus compacts. Ces résultats suggèrent qu’une diversité de populations de poussières existe dans les disques, peut-être liée à une forme d’évolution, mais ils montrent aussi que l’analyse d’un disque isolé reste fortement dégénérée. En d’autres termes, la fonction de phase est riche en information, mais elle ne suffit pas, à elle seule, pour contraindre précisément la nature des grains.

Pour dépasser cette limite, j’ai étudié la couleur des disques, c’est-à-dire la variation de l’intensité diffusée entre plusieurs longueurs d’onde. À l’aide de simulations de transfert radiatif, j’ai exploré l’impact d’une large variété de particules : sphériques, irrégulières, compactes et fractales. Les résultats montrent que la couleur devient peu sensible à la taille globale des particules quand leur structure se complexifie. Ainsi, la couleur dépend fortement de la taille des monomères qui constituent la particule, de la composition et de la morphologie des agrégats. Ainsi, la combinaison de la fonction de phase et de la couleur constitue une approche prometteuse pour contraindre plus efficacement les propriétés des poussières.

Ce travail contribue à l’amélioration de nos connaissances sur la caractérisation des poussières dans les disques protoplanétaires. Il propose un outil d’analyse performant, DRAGyS, ainsi qu’une stratégie fondée sur l’exploitation combinée de la fonction de phase et de la couleur pour relier les observations des disques aux propriétés physiques des grains qui les composent. En fin de compte, cette combinaison promet de répondre à la question suivante : quelle est la nature de la poussière présente dans ces disques protoplanétaires, destinés à former des planètes ?

Direction de thèse

• François Ménard & Gaspard Duchêne

Composition du jury

• Olga Muñoz, Directrice de recherche, Instituto de Astrofisica de Andalucia, Rapporteure
• Jean-François Gonzalez, Professeur des Universités, UCB Lyon 1, Rapporteur
• Nathalie Ysard, Directrice de recherche IRAP CNRS, Examinatrice
• Jean-Charles Augereau, Astronome, IPAG UGA, Examinateur
• Julien Milly, Astronome adjoint, IPAG UGA, Examinateur
• Gaspard Duchêne, Astronome adjoint, IPAG UGA, Invité