The dynamics of exozodiacal dust

Ce manuscrit de thèse présente le travail que j’ai mené au cours de ma thèse,dont le sujet est "La dynamique de la poussière exozodiacale".La poussière exozodiacale, est, par analogie à la poussière zodiacale du système solaire, la composante interne des disques de débris autour de systèmes stellaires : de la poussière située de quelques rayons stellaires à quelques fractions d’unités astronomiques. À mesure que les statistiques de détection s’accumulent depuis une quinzaine d’années, les questions également. L’une d’entre elles porte sur la poussière exozodiacale chaude, située très proche de l’étoile : ces grains de poussière devraient, à cause de phénomènes dynamiques et de sublimation, avoir une durée de vie courte. Pourtant, les quantités estimées à partir des observations sont élevées et, l’une des explications viendrait que cette poussière serait "piégée" proche de l’étoile : les grains de poussière peuvent en effet acquérir une charge électrique de surface qui les rendrait sensibles au champ magnétiquestellaire.La première partie de ma thèse a donc consisté à étudier les phénomènes decharge électriques de grains de poussière. J’ai pour cela conçu un modèle de charge, basé sur la littérature existante sur le sujet, afin d’une part d’obtenir des résultats quantitatifs sur la charge accumulée par les grains suivant les situations rencontrées (type d’étoile, taille et composition chimique du grain etc.), et d’autre part de comprendre en profondeur les mécanismes àl’oeuvre et ordres de grandeur impliqués afin de mettre en lumière les éléments clés du modèle dont le raffinement sera prioritaire pour les études ultérieures. Mes principaux résultats sont que, notamment proche de l’étoile et pour les grains silicatés, l’émission d’électrons secondaires dus à l’impact des particules du vent stellaire est le principal moteur de l’acquisition d’une charge électrique par le grain. Cette charge est positive, dépend de la distance à l’étoile mais le potentiel électrique de surface dépend très peu de la taille du grain. Le temps caractéristique de charge est en outre très faible par rapport aux temps dynamique et de sublimation.J’ai ensuite travaillé sur le code Exozodi, qui est un code qui simule la dynamique de la poussière exozodiacale, écrit par Elie Sezestre. J’ai réécrit une partie du code pour le mettre à jour et le rend plus accessible, et y ai inséré mon module de charge électrique. J’ai ensuite effectué un travail de comparaison de différents intégrateurs numériques (Runge-Kuttaa 4 à pas fixe ou adaptatif, algorithme de Boris) pour sélectionner celui qui sera le plus adapté à la résolution d’un trajectoire mûe par les forces photo-gravitationnelles et magnétiques : j’ai finalement sélectionné l’intégra-teur Runge-Kutta 4 à pas adaptatif "Cash-Karp" et l’ai intégré dans le code Exozodi. J’ai ensuite mené une étude préliminaire sur les trajectoire attendues des grains de poussière exozodiacale chargés électrique en orbite autour d’une étoile doté d’un champ magnétique de type "Spirale de Parker", pour comprendre les bases du mouvement, les principaux processus à l’oeuvre, les paramètres clés et la possibilité d’un piégeage magnétique, en vue d’une étude complète avec le code Exozodi.Cette étude finale n’a pas pu être réalisée dans le cadre de cette thèse mais la faisabilité d’un piégeage magnétique des exozodis chauds a pu être explorée. Ce travail a vocation a être achevé pour apporter une estimation qualitative et quantitative de l’efficace de cette solution de piégeage pour expliquer les exozodis chauds observés. Ce travail de thèse, en grande partie consacré à la charge électrique des grains de poussière, a en outre mis en lumière plusieurs paramètres et formules de modélisation critiques dans le processus, qui doivent retenir toute l’attention des futures études sur le sujet.This thesis manuscript presents the work that I carried out during my thesis, the subject of which is "The dynamics of exozodiacal dust".The exozodiacal dust, is, by analogy to the zodiacal dust of the solar system, the internal component of debris disks around stellar systems : dust located from a few stellar radii to few astronomical units. As detection statistics accumulate for fifteen years, the questions also. One of them concerns the hot exozodiacal dust, located very close to the star : these dust grains should, because of dynamic phenomena and sublimation, have a short lifetime. However, the quantities estimated from the observations are high and oneof the explanations would happen that this dust would be "trapped" close to the star : the grains of dust can indeed acquire a surface electric charge that would make them sensitive to the stellar magnetic field.The first part of my thesis, therefore, consisted in studying the phenomena ofelectric charging of grains of dust. I thus designed a model, based on the existing literature on the subject. The aim was to both obtain quantitative results on the charge accumulated by the grains according to the situations encountered (type of star, size and chemical composition ofthe grain, etc.), and to understand in depth the mechanisms at work and orders of magnitude involved to highlight the key elements of the model (whose refinement will be a priority for further study). My main results are that, especially close to the star and for silicate grains, the emission of secondary electrons due to the impact of stellar wind particles is the maindriver of the acquisition of an electric charge by the grain. This charge is positive and depends on the distance to the star but the surface electric potential depends very little on grain size. The charging time is also very low compared to dynamic and sublimation times.I then worked on the Exozodi code, which is a code that simulates thedynamics of the exozodiacal dust, written by Elie Sezestre. I rewrote part of the code to update it and make it more accessible and inserted my electric charging module. I then did some comparison work between different digital integrators (Runge-Kutta 4 with fixed or adaptive timestep, Boris algorithm) to select the one which will be the most adapted to the resolution of a trajectory moved by the photo-gravitational and magnetic forces : I finally selected the Runge-Kutta 4 step-by-step integrator adaptive"Cash-Karp" and integrated it into the Exozodi code. I then conducted a preliminary study on the expected trajectories of electrically charged exozodiacal dust grains orbiting a star with a "Parker spiral" magnetic field, to understand the basics of the movement, the main processes at work, the key parameters, and the possibility ofmagnetic trapping, before a complete study with the code Exozodi.This final study has not been carried out within the framework of this thesis but the feasibility of trapping the magnetic force of hot exozodis has been be explored. This work is intended to be completed to provide a qualitative and quantitative estimation of the effectiveness of this trapping solution to explain the hot exozodiacal observed. This thesis work, largely devoted to the electrical charge of dust grains, has also highlighted several critical parameters and modeling formulas in the process, which must retain the full attention of future studies on the subject