Évolution physico-chimique des objets transneptuniens

Abstract

TransNeptunians Objects (TNOs) and short period comets are often considered as direct relies from the primordial nebula from which the Solar System originated. Their dynamical and collisional history seems to imply that these objects may have differentiated. The goal of the present work is to determine whether the ``primordial'' matter included in the TNOs has lost its pristine characteristics due to physico-chemical transformations induced by repeated collisions. We first analyse the formation conditions and the structure of ices included in planetesimals. We show that the initial chemical composition of the gaz in the protoplanetary disk strongly influences the composition of planetesimals made of various crystalline ices, as well as the thermal evolution of the final objects (extrasolar low-mass icy planets, giant planets, satellites, comets, ...) in the outer reach of the protoplanetary disks. For instance, low-mass planets formed in a cold environment may be ``cold'' or ``warm'' ocean-plantes or carbonaceous planets.We next setup an evolutionary numerical model of planetesimals with simplified physico-chemical composition which ensure proper conservation of physical quantities (mass and energy), thus allowing long term study of transneptunians planetesimals. This model describes a porous matrix made of refractory elements and a mix of various ices. Phase transitions and energy and mass fluxes are accounted for. The choice of the mathematical framework for solving the conservation equations as well as the integration numerical scheme is discussed next. We consider the actual (non-)conservation of energy and mass in the numerical integration and compare our new model to previously published works. We show that the use of the finite volume method allows us to reduce the error by an order of magnitude compared to previous works.Improvements on planetesimal's modelling allows for more reliable long term studies of the differenciation and thus the study of collisional evolution. Thanks to this, we can analyse the effects of initial the physical and chemical composition, as well as other physical parameters, on the thermal, physical and chemical evolution of transneptunian planetesimals. Finally, we determne the collision frequency required to generate a deep phase transition in planetesimals, starting from a given chemical composition. Our results indicate that TNOs are unlikely to be significantly thermodynamically affected by collisions.Les Objets Transneptuniens (OTN) et les comètes à courte période sont considérés comme les vestiges directs de la nébuleuse primitive qui a donné naissance à notre système solaire. L'histoire dynamique et collisionnelle de ces objets pourrait laisser penser qu'ils ont été différenciés physico-chimiquement. L'objet du travail présenté ici est de déterminer si la matière dite ``primordiale'', incorporée dans les OTN, a perdu, d'une certaine manière, la mémoire de ses origines, en subissant des transformations physico-chimiques profondes lors de collisions successives.Nous analysons dans une première étape les conditions de formation et la structure des glaces incorporées dans les planétésimaux. Nous montrons que la composition chimique initiale de la phase gazeuse du disque protoplanétaire a une incidence non négligeable sur la composition des planétésimaux formés de diverses glaces cristallines, et sur l'évolution thermique de l'ensemble des objets formés (planètes extrasolaires de faible masse et glacées, planètes géantes, satellites, comètes, ...) dans la région externe des disques protoplanétaires. Ainsi, les planètes extrasolaires de faible masse formées à l'origine dans un environnement froid peuvent être du type planètes ``océan'' ou ``carbonées''. Nous réalisons ensuite un modèle numérique de planétésimal, à la composition physico-chimique simplifiée, qui assure la conservation des quantités physiques (masse et énergie), et permet l'étude à long terme des planétésimaux dans la région transneptunienne. Ce modèle représente une matrice poreuse composée d'éléments réfractaires et d'un mélange de différentes glaces. L'ensemble des processus physiques tels que les changements de phase (sublimation/condensation, cristallisation) et la modélisation des transferts thermiques et de masse y sont pris en compte. Le choix de la méthode d'intégration numérique et du cadre mathématique de résolution des équations de conservation (masse et énergie) est ensuite discuté. Le problème de la conservation des quantités physiques (masse et énergie) est abordé et l'erreur sur la conservation de la masse obtenue avec notre modèle est comparée à celle obtenue avec des modèles antérieurs. Nous montrons que l'erreur sur le bilan de masse obtenu par la méthode des volumes finis, utilisée dans ce modèle, permet de gagner au moins un ordre de grandeur sur celui des modèles antérieurs.Les améliorations apportées au modèle de planétésimal permettent d'obtenir une représentation de sa différenciation physico-chimique plus fiable sur le long terme et permettent l'étude de l'influence de collisions successives. Grâce à cela, nous pouvons analyser l'influence de la composition physico-chimique et celle de l'ensemble des paramètres physiques sur l'évolution thermique et physico-chimique de planétésimaux situés dans la région transneptunienne.Enfin, nous déterminons les laps de temps nécessaires entre deux collisions pour engendrer une évolution physico-chimique des objets cibles, à partir d'une composition originelle imposée. Nos résultats infirment l'hypothèse selon laquelle les Objets Transneptuniens pourraient être significativement affectés par le processus collisionnel