Exploration de la formation des planètes avec des mesures micro-ondes d'analogues de poussières proto-planétaires

The first stages of planetary formation begin with the agglomeration of protoplanetary dust to form bigger bodies. However, this dust growth is not fully understood and the standard accretion scenario model still contains different barriers inhibiting the growth of this dust. Several scenarios have been proposed to overcome these barriers, for example irregular dust, e.g., fractal aggregates and grains, contrary to compact spherical dust that was accepted to simplify models. Scattered light observations of protoplanetary disks can be done with nowadays telescopes, obtaining indirect information on this dust. But how can we interpret these scattering information to know if this dust has different morphologies and therefore help to improve the understanding of these barriers? how can we do this when we do not have direct information about dust? One solution is to study the scattering of dust analogs with laboratory experiments where the control of the experimental conditions is possible and therefore the interpretation of scattering information is also possible. This thesis is dedicated to provide more realistic tools to interpret protoplanetary disk observations with microwave scattering experiments, where our dust analogs are geometrically controlled thanks to additive manufacturing, using a refractive index similar to astronomical silicate. The size of these analogs is chosen to be proportional to real dust compared to the used wavelengths to do the observations, in order to respect the electromagnetic scale invariance rule and thus reproduce similar scattering behaviors as real dust. During my PhD I studied the scattering parameters (in the Mie scattering regime) such as the phase function, degree of linear polarization and other Mueller matrix elements of three dust morphologies, e.g. fractal aggregates, and two families of grains with different types of roughness. The goal was to understand their scattering properties and thus give insights or tools to understand the indirect information that is gathered with scattered light observations. Measurements of dust analog were performed in the anechoic chamber of CCRM and cross-validated with numerical simulations. Thanks to the multi-orientation and multi-wavelength that our setup provides, two types of analyses were performed with the three types of morphologies: first, scattering parameters averaged over several orientations of analogs at different wavelengths, and second, scattering parameters including a power-law size distribution. Based on these two analyses, I was able to identify characteristic scattering properties of each morphology, showed with their scattering parameters. I identified the differences of their scattering parameters within a given morphology and between the different morphologies, and I compared them with scattering parameters of similar morphologies found in literature, verifying the coherence of our results. Based on our results, I proved that the control of geometry, refractive index and orientation of our analogs are key to interpret their scattering properties, providing unique scattering measurements thanks to our microwave experiment in CCRM and to the additive manufacturing. Furthermore, these results suggest that porosities of our aggregates and roughness of our compact grains clearly affect in specific ways their scattering properties. Moreover, I showed the interest to continue the instrumental development of telescopes to obtain more than the total scattered intensity (phase function) and degree of linear polarization. Indeed, the other scattering parameters (which are related to the non-sphericity, the degree of circular polarization and the polarization at 45°) can give more clues about the morphology of dust in protoplanetary disks. Finally, I suggested to increase the size of our analogs and test other refractive indices to obtain closer scattering parameters to observations of forming disks, as well as to perform measurements at backscattering angles.La formation planétaire débute par l’agglomération de poussières circumstellaires pour former des corps plus gros. Cependant, cette croissance n'est pas entièrement comprise et le modèle standard du scénario d'accrétion fait face à différentes barrières. Plusieurs scénarios ont été proposés pour surmonter ces barrières avec, par exemple, des poussières irrégulières comme des agrégats fractals de grains, au lieu des poussières sphériques compactes qui avaient été étudiés les premières vues la simplicité des modèles. Les télescopes actuels permettent d'observer les disques protoplanétaires en lumière diffusée et d’obtenir ainsi des informations indirectes, mais comment interpréter ces informations pour remonter à la morphologie de ces poussières et comment ces barrières peuvent-elles être dépassées ? Comment faire sans informations directes sur la poussière ? Pour faire avancer ces connaissances, nous proposons des mesures en laboratoire, donc dans des conditions expérimentales contrôlées, afin de réaliser des interprétations à partir des caractéristiques de diffusion d’objets connus.Au travers de cette thèse, on cherche à fournir des outils réalistes pour interpréter les observations de disques protoplanétaires en mettant à profit des expériences de diffusion en micro-ondes. Des analogues de poussière contrôlés géométriquement et utilisant un indice de réfraction similaire au silicate astronomique, grâce à la fabrication additive, ont été mis à profit. Les dimensions de ces analogues ont été choisies pour conserver le rapport dimension sur longueur d'onde, ce qui permet de reproduire des phénomènes de diffusion similaires au observations, grâce à l’invariance par changement d’échelles des équations de Maxwell.Au cours de ma thèse, j'ai étudié différents paramètres caractéristiques (dans le domaine de diffusion de Mie) tels que la fonction de phase, le degré de polarisation linéaire et d'autres éléments de la matrice de Mueller avec trois morphologies de poussières : des agrégats fractals, et deux familles de grains ayant différents types de rugosité. L'objectif était de comprendre ces différents paramètres et de donner des idées ou des outils qui permettent de mieux appréhender les informations indirectes contenues dans les signaux diffusés. Les mesures des analogues de poussières ont été effectuées dans la chambre anéchoïque du CCRM et validées avec des simulations numériques. Grâce aux orientations et aux longueurs d'ondes multiples que notre installation permet, deux types d'analyses ont été réalisées avec les trois morphologies : premièrement, celle des paramètres de diffusion moyennés sur plusieurs orientations d’analogues à différentes longueurs d'onde, et deuxièmement, celle des paramètres de diffusion incluant une distribution de taille, de type loi de puissance. Sur la base de ces deux analyses, j'ai pu identifier les propriétés de diffusion qui caractérisent chaque morphologie à l'aide de leurs paramètres de diffusion. J'ai identifié les changements des paramètres de diffusion entre différents objets d’une morphologie donnée et aussi entre les différentes morphologies. Je les ai aussi comparées aux paramètres de diffusion de morphologies similaires trouvés dans la littérature, vérifiant ainsi la cohérence de nos résultats. Nos résultats ont prouvé que le contrôle de la géométrie, de l'indice de réfraction et de l'orientation de nos analogues est essentiel pour interpréter leurs propriétés de diffusion, fournissant des mesures de diffusion uniques grâce à notre expérience micro-ondes au CCRM et à la fabrication additive. De plus, ces résultats suggèrent que les porosités de nos agrégats et la rugosité de nos grains compacts affectent clairement et de manière spécifique leurs propriétés de diffusion. Par ailleurs, j'ai montré l'intérêt de poursuivre le développement instrumental des télescopes pour obtenir plus que l'intensité totale diffusée (fonction de phase) et le degré de polarisation linéaire. En effet, les autres paramètres de diffusion peuvent donner plus d'indices sur la morphologie des poussières des disques protoplanétaires. Enfin, je propose d'augmenter la taille des analogues et de tester d'autres indices de réfraction qui existent dans les disques, afin d’obtenir des paramètres de diffusion plus proches des observations. Il serait également intéressant d’effectuer des mesures plus proches de la rétrodiffusion

Exploration de la formation des planètes avec des mesures micro-ondes d'analogues de poussières proto-planétaires

The first stages of planetary formation begin with the agglomeration of protoplanetary dust to form bigger bodies. However, this dust growth is not fully understood and the standard accretion scenario model still contains different barriers inhibiting the growth of this dust. Several scenarios have been proposed to overcome these barriers, for example irregular dust, e.g., fractal aggregates and grains, contrary to compact spherical dust that was accepted to simplify models. Scattered light observations of protoplanetary disks can be done with nowadays telescopes, obtaining indirect information on this dust. But how can we interpret these scattering information to know if this dust has different morphologies and therefore help to improve the understanding of these barriers? how can we do this when we do not have direct information about dust? One solution is to study the scattering of dust analogs with laboratory experiments where the control of the experimental conditions is possible and therefore the interpretation of scattering information is also possible. This thesis is dedicated to provide more realistic tools to interpret protoplanetary disk observations with microwave scattering experiments, where our dust analogs are geometrically controlled thanks to additive manufacturing, using a refractive index similar to astronomical silicate. The size of these analogs is chosen to be proportional to real dust compared to the used wavelengths to do the observations, in order to respect the electromagnetic scale invariance rule and thus reproduce similar scattering behaviors as real dust. During my PhD I studied the scattering parameters (in the Mie scattering regime) such as the phase function, degree of linear polarization and other Mueller matrix elements of three dust morphologies, e.g. fractal aggregates, and two families of grains with different types of roughness. The goal was to understand their scattering properties and thus give insights or tools to understand the indirect information that is gathered with scattered light observations. Measurements of dust analog were performed in the anechoic chamber of CCRM and cross-validated with numerical simulations. Thanks to the multi-orientation and multi-wavelength that our setup provides, two types of analyses were performed with the three types of morphologies: first, scattering parameters averaged over several orientations of analogs at different wavelengths, and second, scattering parameters including a power-law size distribution. Based on these two analyses, I was able to identify characteristic scattering properties of each morphology, showed with their scattering parameters. I identified the differences of their scattering parameters within a given morphology and between the different morphologies, and I compared them with scattering parameters of similar morphologies found in literature, verifying the coherence of our results. Based on our results, I proved that the control of geometry, refractive index and orientation of our analogs are key to interpret their scattering properties, providing unique scattering measurements thanks to our microwave experiment in CCRM and to the additive manufacturing. Furthermore, these results suggest that porosities of our aggregates and roughness of our compact grains clearly affect in specific ways their scattering properties. Moreover, I showed the interest to continue the instrumental development of telescopes to obtain more than the total scattered intensity (phase function) and degree of linear polarization. Indeed, the other scattering parameters (which are related to the non-sphericity, the degree of circular polarization and the polarization at 45°) can give more clues about the morphology of dust in protoplanetary disks. Finally, I suggested to increase the size of our analogs and test other refractive indices to obtain closer scattering parameters to observations of forming disks, as well as to perform measurements at backscattering angles.La formation planétaire débute par l’agglomération de poussières circumstellaires pour former des corps plus gros. Cependant, cette croissance n'est pas entièrement comprise et le modèle standard du scénario d'accrétion fait face à différentes barrières. Plusieurs scénarios ont été proposés pour surmonter ces barrières avec, par exemple, des poussières irrégulières comme des agrégats fractals de grains, au lieu des poussières sphériques compactes qui avaient été étudiés les premières vues la simplicité des modèles. Les télescopes actuels permettent d'observer les disques protoplanétaires en lumière diffusée et d’obtenir ainsi des informations indirectes, mais comment interpréter ces informations pour remonter à la morphologie de ces poussières et comment ces barrières peuvent-elles être dépassées ? Comment faire sans informations directes sur la poussière ? Pour faire avancer ces connaissances, nous proposons des mesures en laboratoire, donc dans des conditions expérimentales contrôlées, afin de réaliser des interprétations à partir des caractéristiques de diffusion d’objets connus.Au travers de cette thèse, on cherche à fournir des outils réalistes pour interpréter les observations de disques protoplanétaires en mettant à profit des expériences de diffusion en micro-ondes. Des analogues de poussière contrôlés géométriquement et utilisant un indice de réfraction similaire au silicate astronomique, grâce à la fabrication additive, ont été mis à profit. Les dimensions de ces analogues ont été choisies pour conserver le rapport dimension sur longueur d'onde, ce qui permet de reproduire des phénomènes de diffusion similaires au observations, grâce à l’invariance par changement d’échelles des équations de Maxwell.Au cours de ma thèse, j'ai étudié différents paramètres caractéristiques (dans le domaine de diffusion de Mie) tels que la fonction de phase, le degré de polarisation linéaire et d'autres éléments de la matrice de Mueller avec trois morphologies de poussières : des agrégats fractals, et deux familles de grains ayant différents types de rugosité. L'objectif était de comprendre ces différents paramètres et de donner des idées ou des outils qui permettent de mieux appréhender les informations indirectes contenues dans les signaux diffusés. Les mesures des analogues de poussières ont été effectuées dans la chambre anéchoïque du CCRM et validées avec des simulations numériques. Grâce aux orientations et aux longueurs d'ondes multiples que notre installation permet, deux types d'analyses ont été réalisées avec les trois morphologies : premièrement, celle des paramètres de diffusion moyennés sur plusieurs orientations d’analogues à différentes longueurs d'onde, et deuxièmement, celle des paramètres de diffusion incluant une distribution de taille, de type loi de puissance. Sur la base de ces deux analyses, j'ai pu identifier les propriétés de diffusion qui caractérisent chaque morphologie à l'aide de leurs paramètres de diffusion. J'ai identifié les changements des paramètres de diffusion entre différents objets d’une morphologie donnée et aussi entre les différentes morphologies. Je les ai aussi comparées aux paramètres de diffusion de morphologies similaires trouvés dans la littérature, vérifiant ainsi la cohérence de nos résultats. Nos résultats ont prouvé que le contrôle de la géométrie, de l'indice de réfraction et de l'orientation de nos analogues est essentiel pour interpréter leurs propriétés de diffusion, fournissant des mesures de diffusion uniques grâce à notre expérience micro-ondes au CCRM et à la fabrication additive. De plus, ces résultats suggèrent que les porosités de nos agrégats et la rugosité de nos grains compacts affectent clairement et de manière spécifique leurs propriétés de diffusion. Par ailleurs, j'ai montré l'intérêt de poursuivre le développement instrumental des télescopes pour obtenir plus que l'intensité totale diffusée (fonction de phase) et le degré de polarisation linéaire. En effet, les autres paramètres de diffusion peuvent donner plus d'indices sur la morphologie des poussières des disques protoplanétaires. Enfin, je propose d'augmenter la taille des analogues et de tester d'autres indices de réfraction qui existent dans les disques, afin d’obtenir des paramètres de diffusion plus proches des observations. Il serait également intéressant d’effectuer des mesures plus proches de la rétrodiffusion

Analysis and modeling of physical and chemical phenomena occurring at solution plasma spraying of zirconia coatings

International audienc

Number of independent measurements required to obtain reliable mean scattering properties of irregular particles having a small size parameter, using microwave analogy measurements

International audienceLaboratory measurements of light scattered by a cloud of randomly oriented levitating particles are often used to interpret remote sensing measurements of dust in space and in Earth's atmosphere. It is necessary to know how many particles or how many different orientations of the same particles must be considered to retrieve the mean scattering function of brightness and polarization. New laboratory measurements were conducted using the microwave analogy method between frequencies of 3 to 18 GHz, where an "analog" particle with a small size parameter in a range of 0.5-12 will have a size of several cm. Twelve such "analog" particles from compact shapes to aggregates with small fractal dimensions were fabricated by additive manufacturing (3D printing) and were studied. The number of necessary measurements to reach the mean scattering properties of a particle with an accuracy of about 5% is obtained for less than 20 different orientations. To reach a 1.5% (1-σ) error in brightness and a 0.5% (1-σ) error in polarization, the number of necessary measurements is in a range of 20 to 70, depending on the shape, fluffiness, deviation from a perfect sphere, and surface irregularities of the particle. These results show that several tens of randomly oriented particles of the same size are sufficient to retrieve the mean light scattering properties. Also, several tens of orientations of the same particles provide mean scattering properties, compared to modelling calculations using the Finite Element Method, for an aggregate composed of identical monomers

Scattering properties of protoplanetary dust analogs with microwave analogy: Aggregates of fractal dimensions from 1.5 to 2.8

International audienceThe growth of dust grains in protoplanetary disks is not understood in detail. Several studies have proposed the presence of aggregates and irregular grains to overcome the physical barriers in grain growth models. In order to understand the scattering properties of these aggregates, laboratory measurements of light scattering and microwave scattering have been developed over the last 50 years. Aims. We aim to measure the scattering properties of different protoplanetary analog aggregates with fractal dimensions of 1.5, 1.7, 2.0, 2.5, and 2.8. Methods. We used the microwave scattering technique (microwave analogy) for the measurements. The analog particles were virtually generated and fabricated by 3D printing with a controlled size (scaling factor), geometry, and refractive index. The seven analogs were measured at wavelengths ranging from 16.7 mm to 100 mm, leading to aggregate size parameters ranging from X agg = 1 to X agg = 20. The results were compared to finite element method calculations of the same analogs for cross-validation. Results. The phase function and the degree of linear polarization were deduced from the scattered field measurements of the different aggregates. These scattering properties are compared and discussed as a function of the fractal dimension. Conclusions. The scattering properties of aggregates with different fractal dimensions are different. Three different realizations of aggregates with the same fractal dimension but different monomer configurations yield the same phase functions. We verified that the maximum degree of linear polarization is higher for porous aggregates than for compact aggregates. Furthermore, the maximum polarization occurs at larger scattering angles for high fractal dimensions, while the half width at half maximum of the phase functions present larger values for small fractal dimensions

Insight from laboratory measurements on dust in debris discs

International audienceExtreme adaptive optics instruments have revealed exquisite details on debris discs, allowing to extract the optical properties of the dust particles such as the phase function, the degree of polarisation and the spectral reflectance. These are three powerful diagnostic tools to understand the physical properties of the dust : the size, shape and composition of the dust particles. This can inform us on the population of parent bodies, also called planetesimals, which generate those particles through collisions. It is however very rare to be able to combine all those three observables for the same system, as this requires different high-contrast imaging techniques to suppress the starlight and reveal the faint scattered light emission from the dust. Due to its brightness, the ring detected around the A-type star HR 4796 is a notable exception, with both unpolarised and polarised images covering near-infrared wavelengths. Here, we show how measurements of dust particles in the laboratory can reproduce the observed near-infrared photo-polarimetric properties of the HR 4796 disc. Experimental characterisation of dust allows to bypass the current limitations of dust models to reproduce simultaneously the phase function, the degree of polarisation and the spectral reflectance