Ma thèse en 400 mots: Rafael Fuentes

Rafael Fuentes, un étudiant d’iREx à l’Université McGill, a terminé son doctorat en 2022. Il résume ici le projet de recherche qu’il a mené pendant ses études :

Développer des modèles de l’intérieur des planètes géantes est crucial pour mieux comprendre leur structure interne et leur évolution. Combinés aux observations astronomiques, ces modèles peuvent aider à déterminer comment ces planètes se sont formées. Les observations des planètes géantes ont révélé un certain nombre d’énigmes intrigantes – par exemple, les mesures prises par la mission Juno de la NASA montrent que le noyau de Jupiter est plus grand que prévu! Un élément clé pour résoudre ces mystérieuses observations est de déterminer à quel point l’intérieur de ces planètes est bien mélangé.

Four giant planets juxtaposed against a black background.

Un montage des planètes géantes du Système solaire. De droite à gauche : Jupiter (Juno perijove 6, Crédit : NASA/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt/Seán Doran) ; Saturne (Cassini, Crédit : NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute) ; Uranus et Neptune (Hubble, Crédits : NASA/ESA/A. Simon (NASA Goddard Space Flight Center), et M.H. Wong et A. Hsu (Université de Californie, Berkeley)).

Au cours de mon doctorat, j’ai créé un modèle de circulation et de mélange des matières à l’intérieur des planètes géantes. Dans ce modèle, les flux convectifs sont refroidis à partir de la surface (qui imite l’enveloppe extérieure de la planète). Ces flux avancent vers l’intérieur dans une région stable avec un gradient d’éléments lourds (qui imite le noyau de la planète).

À l’aide de ce modèle, j’ai étudié plusieurs questions intéressantes. À quelle vitesse les matériaux de la zone de convection se déplacent-ils vers l’intérieur? Comment les éléments lourds sont-ils mélangés à travers la limite de convection? De plus, dans certaines circonstances, un gradient d’éléments lourds peut déclencher la formation de multiples couches convectives (tout comme les nombreuses couches d’un café au lait qui se forment en raison des mêmes processus physiques). Une autre question se pose donc : l’intérieur des géantes gazeuses peut-il subir une convection en couches?

Pour explorer les solutions à ces questions, j’ai créé des simulations en deux dimensions de l’intérieur de planètes géantes. J’ai découvert que la vitesse à laquelle la zone convective se déplace vers l’intérieur dépend de la rapidité du refroidissement et de l’importance du gradient de composition initial de la planète. Un gradient interne plus important dans la composition de la planète stabilise le fluide contre la convection et ralentit son évolution. De plus, j’ai découvert que les mouvements turbulents près de la limite de la zone de convection transportent suffisamment d’énergie pour soulever et mélanger un fluide plus lourd depuis le bas. Ce processus est appelé « entraînement » et constitue le processus de mélange agissant à la limite de la zone convective. J’ai également découvert que le mélange vigoureux et la turbulence de la zone de convection externe empêchent la formation de couches convectives multiples. Ces résultats remettent en question les modèles unidimensionnels actuels, qui prévoient que des couches multiples peuvent se former et survivre au sein de ces planètes. Cependant, les chercheurs ont encore du travail à faire pour relier les modèles unidimensionnels et multidimensionnels. Je me réjouis à l’idée de poursuivre mon travail dans les prochaines années et d’appliquer les leçons apprises ici à des simulations plus complexes.