Thèse Caractérisation des Champs Magnétiques et des Flots d'Accrétion dans le Système Binaire Sb2 Jeune V380 Ori H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble
Direction de la thèse : Evelyne ALECIAN ORCID 0000000152607179
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-13T23:59:59

La formation des étoiles et de leurs planètes est un champ de recherche intense. L'accrétion magnétosphérique est un processus clé dans l'évolution du système disque-(planète)-étoile. C'est un processus qui entraîne de la matière depuis le bord interne du disque jusque sur la surface des étoiles en la conduisant par les lignes de champ magnétique de l'étoile. Ce processus provoque un choc produisant un rayonnement énergétique et intense. Pour comprendre ces phénomènes, nous avons besoin d'étudier les champs magnétiques et les flots d'accrétion des étoiles jeunes, et de les modéliser. Notre équipe ODYSSey au sein de l'IPAG est très active dans ce domaine et s'est principalement spécialisée sur l'étude des étoiles seules jusqu'à présent.

La majorité des étoiles ne naissent pas seules et vont former des systèmes binaires. Dans le cas des binaires proches (séparées de quelques fractions d'unité astronomique), comme V380 Ori, nous nous attendons à ce que les processus d'accrétion sur les étoiles soient modifiés. Les magnétosphères des deux étoiles peuvent aussi interagir quand les deux étoiles se rapprochent, augmentant ainsi les flux énergétiques impactant le disque proto-planétaire, et donc la formation planétaire.

A ce jour, très peu d'études de champ magnétique et de flots d'accrétion dans des systèmes binaires ont été effectuées. Toutes ont été réalisées à partir de données photométriques et spectropolarimétriques, mais jamais combinées avec de l'interférométrie optique longue-baseline permettant de résoudre spatialement les régions les plus internes de ces systèmes (< 1 unité astronomique). Nous avons obtenu un jeu de données unique d'un système binaire jeune que nous avons observé avec deux spectropolarimètres, ESPaDOnS et SPIRou, et l'interféromètre GRAVITY, quasi-simultanément. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier les données spectropolarimétriques de ce système, qui s'appelle V380 Ori. L'analyse des données ESPaDOnS et SPIRou permettra de caractériser certaines propriétés stellaires et orbitales des deux étoiles (température effective, gravité de surface, vitesses de rotation stellaire, période orbitale, excentricité de l'orbite), et de cartographier leurs champs magnétiques. Dans un deuxième temps, l'étude des raies d'accrétion (He I à 1 micron, et les raies d'hydrogène Pa Beta, Br Gamma), combinée à l'étude des raies atomiques formées à la surface de l'étoile nous permettra d'identifier si les deux étoiles accrètent, et si oui, à quel rythme. Cette étude permettra aussi de déterminer si l'accrétion sur les étoiles est magnétosphérique, ou si elle se produit différemment. En parallèle, l'étude des données interférométriques GRAVITY portée par K. Perraut, nous permettra, non seulement, de caractériser entièrement l'orbite de la binaire (en particulier son inclinaison), mais aussi de contraindre la géométrie et l'extension d'un ou plusieurs disques (circumstellaire(s) ou circumbinaire), et potentiellement la position des flots d'accrétion par rapport aux étoiles. Les contraintes observationnelles obtenues pourront être confrontées à des simulations numériques, en collaboration avec N. Cuello de l'équipe ODYSSey à l'IPAG.

Cette thèse ouvrira la voie vers des analyses plus systématiques de systèmes binaires que nous sommes en train de découvrir ou découvriront au sein de projets avec les instruments ESPaDOnS et SPIRou. De plus, la nouvelle instrumentation du télescope Canada-France-Hawaï prévoit l'installation de WENAOKEAO, c'est à dire un instrument permettant d'observer une étoile en simultané avec ESPaDOnS et SPIRou. Le jeu de données de V380 Ori à étudier pendant la thèse est le premier qui permet de combiner une étude quasi-simultanée de SPIRou et ESPaDOnS, c'est à dire couvrant un domaine de longueurs d'onde énorme, allant du proche UV au proche IR, permettant ainsi d'étudier dans sa totalité la magnétosphère qui s'étend de la surface de l'étoile au bord interne du disque.

La formation des étoiles et de leurs planètes est un champ de recherche intense. En effet, les processus de formation stellaire sont suffisamment violents pour impacter le disque protoplanétaire, et donc la formation planétaire. Ils ont aussi un énorme impact sur la croissance de la protoétoile et sur son devenir. L'accrétion magnétosphérique est un processus clé dans l'évolution du système disque-(planète)-étoile. C'est un processus qui entraîne de la matière depuis le bord interne du disque jusqu'à la surface des étoiles en la guidant le long des lignes de champ magnétique de l'étoile. Ce processus provoque un choc de matière sur l'étoile, produisant un rayonnement énergétique et intense. Pour comprendre ces phénomènes, nous avons besoin d'étudier les champs magnétiques et les flots d'accrétion des étoiles jeunes, et de les modéliser. Notre équipe ODYSSey au sein de l'IPAG est très active dans ce domaine et s'est principalement spécialisée sur l'étude des étoiles seules jusqu'à présent.

La majorité des étoiles ne naissent pas seules et vont former des systèmes binaires. Dans le cas des binaires proches (séparées de quelques fractions d'unité astronomique), comme V380 Ori, les modèles prédisent la présence d'un disque circumbinaire, c'est à dire un disque proto-planétaire entourant les deux étoiles, et potentiellement, des disques circumstellaires, c'est à dire des disques gazeux entourant chaque étoile. Les processus d'accrétion sur les étoiles en sont aussi fortement modifiés car la matière doit transiter par un disque circumstellaire. Les magnétosphères des deux étoiles peuvent aussi interagir quand les deux étoiles se rapprochent, augmentant ainsi les flux énergétiques impactant le disque proto-planétaire. Quant à la formation planétaire, elle pourrait être différente autour d'un système binaire, par rapport à une étoile seule, comme le montrent les simulations de disques circumbinaires effectuées au sein de notre équipe.Comprendre comment un système binaire proche accrète de la matière depuis son disque, et quel est le rôle de son champ magnétique

A ce jour, très peu d'études de champ magnétique et de flots d'accrétion dans des systèmes binaires ont été effectuées. Toutes ont été réalisées à partir de données photométriques et spectropolarimétriques, mais jamais combinées avec de l'interférométrie optique longue-baseline permettant de résoudre spatialement les régions les plus internes de ces systèmes (< 1 unité astronomique). Nous avons récemment mené une campagne d'observation du système binaire jeune V380 Ori avec deux spectropolarimètres ESPaDOnS et SPIRou installés sur le Télescope Canada-France-Hawaï (CFHT), et en quasi-simultané avec l'interféromètre GRAVITY installé sur les très grands télescopes (VLT) de l'observatoire austral européen (ESO). Cet objet a l'avantage d'être brillant et d'être composé de deux étoiles de températures assez différentes pour exploiter entièrement la couverture en longueur d'onde des deux instruments optique (ESPaDOnS) et proche infrarouge (SPIRou). Les paramètres orbitaux, le rapport de flux entre les étoiles, et la présence de signature d'accrétion magnétosphérique, en font aussi un objet optimal pour l'exploitation de GRAVITY. Ces deux techniques sont complémentaires et en même temps indispensables l'une à l'autre pour caractériser entièrement les paramètres orbitaux (période, inclinaison, séparation).

Dans cette thèse, nous proposons d'étudier les données spectropolarimétriques de V380 Ori que nous avons obtenues avec ESPaDOnS et SPIRou, ce qui permet de couvrir un large domaine spectral, du visible au proche-infrarouge (jusqu'à la bande K). Les deux instruments ont un pouvoir de résolution spectrale suffisamment grand (de 65000 à 70000) pour analyser les paramètres des 2 étoiles, leur champ magnétique et leur environnement circumstellaire/binaire proche. En parallèle, K. Perraut et son équipe se chargera de l'analyse des données interférométriques obtenues en bande K. L'analyse des données ESPaDOnS et SPIRou permettra de caractériser certaines propriétés stellaires et orbitales des deux étoiles (température effective, gravité de surface, vitesses de rotation stellaire, période orbitale, excentricité de l'orbite), et de cartographier leurs champs magnétiques. Dans un deuxième temps, l'étude des raies d'accrétion (He I à 1 micron, et les raies d'hydrogène Pa Beta, Br Gamma), combinées à l'étude des raies atomiques formées à la surface de l'étoile nous permettra d'identifier si les deux étoiles accrètent, et si oui, à quel rythme. Cette étude permettra aussi de déterminer si l'accrétion sur les étoiles est magnétosphérique, ou si elle se produit différemment. En parallèle, l'étude des données interférométriques GRAVITY nous permettra, non seulement, de caractériser entièrement l'orbite de la binaire (en particulier son inclinaison), mais aussi de contraindre la géométrie et l'extension d'un ou plusieurs disques (circumstellaire(s) ou circumbinaire), et potentiellement la position des flots d'accrétion par rapport aux étoiles. Les contraintes observationnelles obtenues pourront être confrontées à des simulations numériques, en collaboration avec N. Cuello de l'équipe ODYSSey à l'IPAG.

Tâches et Calendrier :
1.Bibliographie initiale des objets jeunes et systèmes binaires (2 mois).
2.Ajustement des spectres en intensité à haute résolution spectrale ESPaDOnS et SPIRou avec des spectres synthétiques SYNTH3 d'étoiles binaires. Un développement PYTHON sera nécessaire pour calculer le spectre d'une binaire à partir de deux spectres d'étoiles seules (3 mois).
3.Calcul des profils de raie spectrale moyens en intensité et polarisés des deux étoiles simultanément, en utilisant la méthode LSD (Least Square Deconvolution). Du développement PYTHON sera nécessaire pour développer le code LSD binaire, à partir du code LSD actuel qui ne peut calculer les profils LSD que pour une étoile seule (4 mois).
4.Analyse de la variabilité temporelle et des corrélations des profils LSD. Les outils PYTHON existent déjà. Détermination des périodes de rotation (1 mois).
5.Mesure des vitesses radiales des deux étoiles et ajustement par un modèle des courbes des vitesses radiales pour caractériser l'orbite. Les outils PYTHON existent déjà. Mise en commun avec l'orbite interférométrique (1 mois).
6.Cartographie de la brillance et du champ magnétique des deux étoiles à l'aide du code ZDIpy. Suivant la couverture orbitale et rotationnelle des étoiles, du développement pourrait être nécessaire pour faire la cartographie des deux étoiles en simultané, si les profils LSD ne peuvent pas être calculés séparément (5 mois).
7.Rédaction du premier article sur les champs magnétiques (4 mois).
8.Préparation et participation à une conférence internationale (1 mois).
9.Identification et extraction des raies d'émission provenant des flots d'accrétion et d'éjection. Prise en main de l'outil StarMelt (1 mois).
10.Analyse de la variabilité temporelle et des corrélations des profils de raies en émission. Les outils PYTHON existent déjà. Détermination des temps caractéristiques des flots d'accrétion et d'éjection tracés par ces raies (1 mois).
11.Ajustements gaussiens des raies en émission avec l'outil StarMelt et analyse temporelle des paramètres ajustés (1 mois).
12.Préparation et participation à une conférence internationale (1 mois).
13.Interprétation des données et comparaison aux modèles (2 mois).
14.Rédaction du deuxième article sur les accrétions/éjections dans le système (3 mois).
15.Rédaction du manuscrit de thèse et soutenance (6 mois).
Les durées de chaque tâche sont estimées en supposant un temps plein, tout en incluant les périodes de vacances. De nombreuses tâches se feront en parallèle et s'étendront donc sur une durée effective plus longue que celle indiquée.