Formation des planétésimaux : des processus astrophysiques aux compositions géochimiques

La formation des planètes s'effectue dans les disques protoplanétaires, à partir de grains de poussière de taille micrométrique. Il est communément considéré que ces grains vont former des objets dont la taille varie de 1 à 1 000 km, appelés planétésimaux. Ces derniers sont ensuite à l'origine des proto-planètes et des planètes. Néanmoins, la formation des planétésimaux demeure un sujet de débat central dans les théories de formation planétaire, qui nécessite d'être élucidé pour déterminer les propriétés initiales de ces objets, qui sont des éléments essentiels des modèles de croissance incrémentale des solides. L'hypothèse privilégiée pour les modèles de formation des planétésimaux repose sur la concentration des solides (poussière et galets) en des amas suffisamment denses pour s'effondrer gravitationnellement. Bien que divers mécanismes aient été proposés pour expliquer le processus de concentration, la phase d'effondrement est moins étudiée, alors qu'elle est cruciale pour caractériser les propriétés des planétésimaux. En particulier, l'influence du gaz du disque proto-planétaire sur la dynamique reste largement inexplorée. Si l'astrophysique permet de contraindre les conditions de formation, la géochimie apporte une compréhension complémentaire sur les propriétés internes des objets formés. Ainsi, la question de l'origine des espèces volatiles sur Terre, notamment les gaz rares tels que le néon, reste ouverte. Deux principales hypothèses existent : d'un côté, l'implantation du néon par le vent solaire dans les poussières micrométriques et sa préservation durant les étapes de formation de la Terre, de l'autre, la dissolution d'une atmosphère terrestre primordiale dans le manteau terrestre. Cette thèse s'appuie sur des simulations numériques d'effondrement gravitationnel de la composante solide et gazeuse avec couplage dynamique par friction entre les deux phases. Ce travail permet d'identifier, dans l'approximation de symétrie sphérique, la compression adiabatique du gaz par les solides et la forte augmentation de température du gaz qui en résulte. Un vaste espace de paramètres est exploré, permettant d'identifier le rôle clé de la diffusion thermique dans les solides. Ce chauffage est maximum dans le cas d'un planétésimal massif composé de grains de faible taille. Je montre aussi que le temps caractéristique de chauffage est suffisamment court pour préserver une quantité suffisante de néon pour reproduire les valeurs du manteau terrestre. Finalement, le cas de l'effondrement d'un nuage en rotation est exploré. En conclusion, ce travail de thèse a permis d'identifier l'importance de la dynamique du gaz dans l'étude de l'effondrement gravitationnel des planétésimaux, ainsi que les conditions d'application des différentes modélisations des solides, ces deux points étant cruciaux pour la compréhension de la formation des planétésimaux.