Thèse Origines de la Diversité des Propriétés Optiques des Objets Résiduels de la Formation Planétaire Disques de Débris et Petits Corps du Système Solaire H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : STEP - Sciences de la Terre de l'Environnement et des Planètes Laboratoire de recherche : Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble Direction de la thèse : Olivier POCH ORCID 0000000167778296 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59 Comment à partir d'un disque proto-planétaire de gaz et de poussières, les systèmes planétaires se forment et évoluent ? Une manière de comprendre cette histoire est de déterminer la composition chimique et la structure physique des objets résiduels du processus de formation planétaire, tels que les petits corps du système solaire (comètes, astéroïdes, objets trans-neptuniens) ainsi que ceux de systèmes extrasolaires dont on observe les particules de poussières dans les disques de débris. Etudier et comparer ces deux types d'objets permet de replacer notre système solaire dans le contexte plus vaste de la diversité des systèmes planétaires, en comprenant ce qu'il a de générique et de spécifique.Les observatoires astronomiques au sol ou dans l'espace collectent la lumière diffusée, réfléchie, ou émise par ces petits corps et disques de débris, révélant leur diversité, et permettant de les classer en fonction de leurs propriétés optiques, en particulier leurs spectres du visible à l'infrarouge moyen, leurs fonctions de phase et leurs courbes de phase polarimétriques dans le visible et le proche infrarouge. Mais la multitude des paramètres compositionnels et structuraux contrôlant les propriétés optiques de ces objets rend très difficile leur interprétation univoque, même à l'aide de modèles de transfert radiatif.

Dans ce contexte, ce travail de thèse visera à extraire les propriétés photo-polarimétriques des disques de débris observés avec l'instrument du Very Large Telescope SPHERE, à les comparer à celles des petits corps du système solaire, et à interpréter ces propriétés des disques et des petits corps grâce à des mesures d'échantillons analogues avec le spectro-gonio-radiomètre SHADOWS de l'IPAG. Ces analogues des petits corps et des poussières des disques de débris seront de compositions et structures contrôlées. Leurs mesures spectrales et polarimétriques serviront donc de référence pour mieux comprendre les influences mêlées de leurs composition et structure, induites par leurs formations et/ou leurs évolutions. Elles permettront d'interpréter des observations effectuées non seulement par SPHERE, mais aussi par le télescope spatial James Webb (JWST), ou encore de préparer les missions spatiales RAMSES, MMX et Comet Interceptor sur lesquelles l'IPAG est impliqué. Les propriétés optiques des objets du système solaire incluent leur albédo, couleurs, les spectres de la lumière réfléchie (de 0.4 à 5 µm), émise (de 7 à 25 µm) et leurs courbes de phase en intensité et en lumière polarisée (de 0.4 à 0.8 µm). Depuis près de 40 ans, les spectres de la lumière réfléchie dans l'infrarouge proche entre 0.4 et 2.5 µm permettent de classer les astéroïdes en différents types spectraux (types B, C, P, D, S etc.) liés à leur composition (Bus and Binzel, 2002; DeMeo et al., 2009; Mahlke et al., 2022; Tholen, 1984). Ils se distinguent également par d'autres propriétés optiques, telles que leurs spectres d'émissivité dans l'infrarouge moyen (Vernazza et Beck 2017) et leurs courbes de phase polarimétrique (Bagnulo et al., 2024; Belskaya et al., 2017). Cependant l'origine compositionnelle et/ou texturale de ces propriétés optiques, et les liens entre propriétés spectrales et polarimétriques, ne sont pas encore bien compris.

Les astéroïdes de P et D possèdent des propriétés spectrales similaires aux comètes et aux objets trans-neptuniens, suggérant qu'il s'agit d'objets formés au-delà de Neptune ayant migré vers leurs emplacements actuels sur l'orbite de Jupiter (astéroïdes Troyens) ou dans la ceinture principale d'astéroïdes (Morbidelli and Nesvorný, 2020; Vernazza and Beck, 2017; Vernazza et al., 2025). Contrairement aux astéroïdes de la ceinture principale qui ne sont observables depuis la Terre qu'à des angles de phase inférieurs à 30°, les comètes et les astéroïdes géocroiseurs s'approchant plus près du Soleil peuvent être observés à des angles de phase allant jusqu'à 120-140°. Les courbes de phase polarimétriques de ces objets sont caractérisées par des différences très marquées aux grands angles de phase, où le degré de polarisation de la lumière visible atteint un maximum (Pmax). Ainsi les comètes possèdent généralement un Pmax de moins de 30% vers 90° (Kolokolova et al., 2015; Bagnulo et al., 2024), alors que certains astéroïdes géocroiseurs de type C (Ryugu) ou B (Bennu, Phaethon) possèdent des Pmax de plus de 40% à plus de 100° (Ishiguro et al., 2021; Kuroda et al., 2021). L'origine de ces différences est encore mal comprise. Elle est probablement liée aux différences de composition entre le matériau réfractaire cométaire, beaucoup plus riche en matière organique macromoléculaire (45 wt%) que Ryugu, Bennu ou Phaethon apparentés aux chondrites carbonées (
En parallèle de l'étude de ces petits corps du système solaire, des programmes d'observations de disques circumstellaires sont menés à l'IPAG depuis le sol avec l'instrument du Very Large Telescope SPHERE, muni d'un bras visible et infrarouge et de polarimètres linéaires (Engler, Milli et al., 2025). Les disques circumstellaires regroupent les disques protoplanétaires et de débris. Les premiers existent durant les premiers millions d'années de la vie d'une étoile, puis ils se dissipent et les planétésimaux formés (analogues des astéroïdes et objets transneptuniens dans notre système solaire) sont réduits progressivement en poussière lors de leurs collisions mutuelles. Cette poussière constitue ce qu'on appelle un disque de débris et reste visible des millions voire milliards d'années selon la taille du réservoir initial de planétésimaux. Les observations au télescope permettent d'en extraire les propriétés de diffusion : la fonction de phase, le degré de polarisation linéaire, et la réflectance spectrale du domaine visible à infrarouge proche. Ces trois observables peuvent permettent de contraindre la forme, structure et composition des poussières, et ils peuvent être comparés à ceux des petits corps du système solaire.

Les courbes de phase polarimétriques des disques de débris observées avec SPHERE ont été comparées aux comètes du système solaire (Milli et al., 2024) ou à des mesures d'analogues en laboratoire (Milli et al., 2023; Bonduelle et al., en prép.). Pour la plupart des disques ces courbes sont comparables à celles des comae, mais des exceptions existent comme pour le disque de HR 4796. Pour ce système brillant et incliné favorablement il est possible d'extraire l'ensemble de ces trois observables. Sa fonction de phase indique la présence de poussières de plusieurs micromètres (Milli et al., 2017; Chen et al., 2020), et sa réflectance spectrale indique un matériau sombre avec une pente spectrale rouge dans le visible et l'infrarouge proche. Sa courbe de phase polarimétrique possède un Pmax à >50% et à plus de 100° d'angle de phase, similaire à celles de certains astéroïdes géocroiseurs tels que Phaethon.

D'autre part, des collègues de l'ESO en Allemagne ont également utilisé l'instrument SPHERE pour observer certains astéroïdes du système solaire tels que Pallas (type B) ou encore Psyche (type M). Leur degré de polarisation a été mesuré pour différents angles de phase, et reste à interpréter.

Les modèles numériques n'étant pas capables aujourd'hui de reproduire de manière réaliste l'ensemble des propriétés de diffusion de particules de poussière irrégulières présentes sur les petits corps du système solaire ou dans les disques de débris, nous réalisons des mesures expérimentales, notamment avec l'instrument SHADOWS (Potin et al., 2018) à l'IPAG pour reproduire et mesurer en laboratoire des analogues des poussières de ces observations.

La thèse de Robin Sultana à l'IPAG (ED STEP, direction P. Beck et co-encadrement O. Poch, 2018-2021) a permis la validation d'une méthode de production de surfaces constituées de grains sub-micrométriques (hyperfins) de silicates et de matériaux opaques, analogues de la matière réfractaire cométaire et des astéroïdes non-différenciés (types X, B, C, P, D), dont les propriétés spectrales et polarimétriques ont été mesurées. Les résultats obtenus indiquent que différents régimes de diffusion de la lumière existent en fonction de la longueur d'onde et du degré d'agrégation/dispersion de chaque type de grain, contrôlé par leur proportion relative. Ils révèlent comment la couleur dans le visible -proche infrarouge, l'absorption des silicates vers 10 µm, et les formes des courbes polarimétriques, varient en fonction du degré d'agrégation/dispersion des grains hyperfins d'opaques et de silicates. Les tendances de ces variations sont similaires à celles observées entre les comètes et astéroïdes de types P/D et les astéroïdes X/C/B, attestant du rôle important des grains hyperfins (Sultana et al., 2023). Les résultats de cette étude nous encouragent à poursuivre ce travail selon la même méthodologie, en combinant les mesures spectroscopiques (du visible à l'infrarouge moyen) et aussi polarimétriques (dans le visible) sur des analogues afin de mieux contraindre les propriétés des surfaces astéroïdales et cométaires. Ce travail fournira des données de référence pour les missions spatiales d'exploration des petits corps sur lesquelles l'IPAG est impliqué : Martian Moons eXploration (MMX) de la JAXA (2024-29) qui observa les lunes de Mars (Phobos et Deimos) dont les spectres ressemblent aux astéroïdes apparentés aux comètes (types spectraux D/P/Z) (Lasue et al., 2025; Wargnier et al., 2025), Comet Interceptor de l'ESA (2029) qui étudiera une comète primitive provenant du nuage d'Oort et s'approchant du Soleil pour la première fois grâce à des instruments photométriques et polarimétriques, et la mission Rapid Apophis Mission for Space Safety (RAMSES) qui étudiera notamment grâce à une caméra polarimétrique l'influence des forces de marée terrestres sur l'astéroïde géocroiseur Apophis lors de son survol au plus près de la Terre le 13 avril 2029.

En parallèle, depuis près de 5 ans nous créons des ponts entre les activités sur les disques de débris et celles de planétologie à l'IPAG pour progresser mutuellement dans notre compréhension de la formation des systèmes (exo)planétaires. Trois stages ont été encadrés en commun par Olivier Poch, Julien Milli et Pierre Beck entre 2022 et 2023. Depuis 2024, le postdoctorat de Myriam Bonduelle (ANR DDISK) nous a permis d'avancer sur la comparaison des courbes de phases polarimétriques du disque de débris HR 4796 avec des mesures d'échantillons sur SHADOWS. Un article en préparation suggère l'influence prépondérante de minéraux opaques tels que des sulfures de fer pour expliquer les propriétés polarimétriques de ce disque (Bonduelle et al., en prép.). Pour compléter nos connaissances des propriétés spectrales de ce disque, une demande de temps sur le télescope spatial James Webb a été proposée par l'IPAG et est en cours de revue. Une dizaine d'autres disques de débris ont été observés avec SPHERE et ces données sont disponibles publiquement pour y extraire les propriétés photo-polarimétriques à l'aide des outils développés à l'IPAG (Milli et al., 2017, 2024, 2026). Ces archives constitueront également une des ressources de la thèse, l'IPAG hébergeant le centre de données en charge du post-traitement des images de SPHERE (le HC-DC pour High-Contrast Data Center) dont Julien Milli a pris la coordination en 2026. Dans ce contexte, ce travail de thèse visera à améliorer nos interprétations des propriétés spectrales et surtout polarimétriques des disques de débris circumstellaires et des petits corps du système solaire.

Le premier volet de ce travail de thèse consistera à extraire les fonctions de phase, degré de polarisation et réflectance spectrale des particules de poussière de certains disques de débris soigneusement sélectionnés pour leur morphologie favorable à cette extraction parmi les données existantes avec SPHERE.

Le second volet du travail de thèse portera sur les mesures des propriétés de diffusion d'échantillons avec l'instrument SHADOWS. Les particules des disques de débris sont en suspension, or les mesures avec SHADOWS se font sur des poudres déposées en surface. Il faudra donc valider dans quels cas les propriétés spectrales et polarimétriques restent identiques pour des poudres en suspension. La préparation d'échantillons de particules de composition, taille et structure contrôlées, s'appuiera sur les méthodes existantes à l'IPAG, et sur de nouvelles méthodes à développer. La variation de ces propriétés de manière systématique permettra de comprendre leurs influences sur les propriétés spectrales et polarimétriques, et ainsi d'améliorer les interprétations des observations des disques de débris et des petits corps du système solaire.

Nous destinons ce sujet de thèse à Maëlys Rigouleau, avec qui ce sujet a été discuté et établi. Lorsqu'elle était en première année d'école d'ingénieur à SupOptique, Maëlys a effectué un brillant stage de deux mois à l'IPAG avec Julien Milli et Olivier Poch sur le thème de recherche proposé pour cette thèse. Maëlys possède une formation en optique, physique et astrophysique ainsi que les capacités pour entreprendre un travail expérimental en polarimétrie et spectroscopie (préparation d'échantillons, mesures optiques avec le spectro-gonio-radiomètre SHADOWS de l'IPAG).