Formation des disques protoplanétaires à l’ère de l’exascale // Protoplanetary disk formation at the exascale era

Les observations récentes de disques protoplanétaires indiquent que les planètes commencent à se former dès le premier million d'années de leur évolution. Or, les simulations de formation de disques les plus avancées peinent à modéliser leur évolution au-delà de 100 000 ans. Deux verrous techniques sont notamment à l'origine de cette limitation. Tout d'abord, les schémas numériques prenant en compte le champ magnétique sont fortement contraints, en termes de pas de temps, par la MHD non-idéale. Celle-ci impose une diminution quadratique du pas de temps avec la résolution qui devient prohibitif lorsque les disques sont résolus spatialement. De plus, sur des temps si longs, il devient nécessaire de modéliser des échelles qui vont au-delà du cœur préstellaire qui constitue le réservoir de masse initial du disque. Ainsi il faut modéliser les nuages moléculaires dans leur intégralité, c'est-à-dire des échelles du parsec jusqu'à l'unité astronomique, tout en considérant des temps séculaires. Ceci n'est pas possible avec les codes numériques communément utilisés. Dans cette thèse nous proposons de lever ces deux verrous techniques. Nous développerons un schéma de MHD non-idéale avec une méthode de type "ions massifs", appropriée car les grains de poussières sont les principaux porteurs de charge lors de l'effondrement. Cette approche, ne nécessitant pas de terme de diffusion, accélérera fortement le traitement du champ magnétique. Par ailleurs, cette implémentation se fera dans le nouveau code DYABLO développé au CEA et qui permettra d'avoir accès à l'accélération GPU, débloquant l'aspect multi-échelle du projet. Après ces développements, nous étudierons l'influence de l'environnement sur les disques et la formation des planétésimaux afin d'en déterminer la chronologie.
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Recent observations of protoplanetary disks indicate that planets begin to form during the first million years of their evolution. However, state-of-the-art simulations of disk formation struggle to follow their evolution beyond 100,000 years. Two obstacles are at the root of this limitation. First, the numerical schemes that include the magnetic field are strongly constrained by non-ideal MHD that imposes a quadratic decrease of the timestep with the resolution; this becomes prohibitive once disks are spatially resolved. Second, over such long periods of time, it becomes necessary to model scales that go beyond the prestellar core that constitutes the initial mass reservoir of the disk. We must therefore model the entire molecular clouds, that is to say from the parsec scales down to the astronomical unit, while considering secular times. This is out of reach for commonly used numerical codes. In this thesis, we propose to remove these two technical barriers. We will develop a non-ideal MHD scheme based on the "heavy ion" method, which is appropriate because dust grains are the main charge carriers during the collapse. Since this approach does not require a diffusion term, it will accelerate the treatment of the magnetic field. Furthermore, it will be implemented in DYABLO, a new code developed at CEA that provides GPU acceleration, unlocking the multi-scale aspect of the project. Building on these developments, we will study the influence of the environment on disks and the formation of planetesimals in order to determine the timing of planet formation.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Direction d’Astrophysique
Laboratoire : Laboratoire de modélisation des plasmas astrophysiques
Date de début souhaitée : 01-10-2027
Ecole doctorale : Science de la Terre et de l’Environnement et Physique de l’Univers Paris (STEPUP)
Directeur de thèse : GONZALEZ Matthias
Organisme : Université Paris Cité
Laboratoire : DRF/IRFU/DAp/LMPA
URL : https://ulebreui.github.io/
URL : https://irfu.cea.fr/dap/modelisation-des-plasmas-astrophysiques/
URL : https://irfu.cea.fr/Pisp/matthias.gonzalez/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers
Service : Direction d’Astrophysique

Astrophysique; physique fondamentale; méthodes numériques