Soutenances d’Habilitation à Diriger des Recherches

Composition du jury

Mme Véronique Dehant (Observatoire Royal de Belgique)
Mme Hélène Sol (Observatoire de Paris)
Mme Marie-Christine Angonin (Observatoire de Paris)
Mr Jan Vondrak (Académie des Sciences Tchèque)
Mr François Mignard (Observatoire de la Côte d’Azur)
Mr David Salstein (Atmospheric and Environmental Research, Inc., USA)
Mr Jean-Paul Boy (Université de Strasbourg)

Résumé
Je présenterai quelques aspects de mon travail de recherche concernant les repères de référence céleste et la rotation terrestre, deux domaines a priori déconnectés mais en réalité liés par une technique géodésique fondamentale : l’interférométrie radio à très longue base (VLBI) opérée au sein des services internationaux de l’IAU et de l’IUGG hébergés par l’Observatoire. Je parlerai de la récente réalisation du repère céleste international en radio par VLBI et que l’exploitation scientifique de ces données astrométrique extrêmement précises complémentées par celles de Gaia en termes de physique des AGN. Je parlerai également de l’observation de la nutation terrestre par VLBI qui permet d’inférer certaines propriétés de l’intérieur terrestre notamment liées au noyau et à la graine. Je terminerai par quelques éléments de prospectives dans ces deux domaines.

Summary :
I will present some aspects of my research work concerning celestial reference frames and Earth rotation, two fields a priori disconnected but in reality linked by a fundamental geodetic technique : very long-base radio interferometry (VLBI) operated within the international services of the IAU and IUGG hosted by the Observatory. I will talk about the recent realization of the international celestial reference frame in radio wavelengths by VLBI and the scientific exploitation of these extremely precise astrometric data complemented by those of Gaia in terms of AGN physics. I will also talk about the observation of terrestrial nutation by VLBI which make possible to infer certain properties of the Earth’s interior, particularly related to the core and the inner core. I will conclude with some elements of prospective in these two areas.

Composition du jury

Leor Barack, University of Southampton
Alessandra Buonanno, Max Planck Institute for Gravitational Physics
Nathalie Deruelle, Laboratoire Astroparticule et Cosmologie
Guillaume Faye, Institut d’Astrophysique de Paris
David Langlois, Laboratoire Astroparticule et Cosmologie
Christophe Le Poncin-Lafitte, SYRTE, Observatoire de Paris
Eric Gourgoulhon, LUTH, Observatoire de Paris
Jean-Philippe Uzan, Institut d’Astrophysique de Paris

Résumé
Résumé : Ma recherche contribue à l’effort collectif visant à modéliser avec précision l’émission de rayonnement gravitationnel en provenance de systèmes binaires d’astres compacts, composés de trous noirs et d’étoiles à neutrons. Ceux-ci figurent parmi les principales sources pour les détecteurs interférométriques terrestres LIGO, Virgo et KAGRA, et le projet d’antenne gravitationnelle spatiale LISA. Cette recherche repose sur une partie du vaste corpus de connaissances solidement établies sur la physique des trous noirs, et vise à étendre ces résultats. J’expliquerai dans un premier temps comment deux des célèbres lois de la mécanique des trous noirs peuvent être généralisées à des systèmes binaires d’objets compacts en orbite circulaire. Je montrerai ensuite comment ces résultats peuvent être étendus à des orbites génériques et à des corps dotés d’un moment cinétique intrinsèque. Finalement, je passerai en revue certaines des nombreuses applications de la première loi de la mécanique des systèmes binaires d’objets compacts, avant de conclure et d’évoquer quelques pistes pour de futures recherches.

Summary : My research contributes to the ongoing, collective effort to model accurately the gravitational-wave emission from binary systems of compact objects, composed of black holes and neutron stars. Those are among the main targets for the ground-based interferometric detectors LIGO, Virgo and KAGRA, and the planned space-based gravitational antenna LISA. This research builds upon—and extends—part of a large body of well-established results on the physics of black holes. I will first discuss how two of the celebrated laws of black hole mechanics can be generalized to binary systems of compact objects moving along circular orbits. I will then show how those results can be extended to generic orbits and spinning compact binaries. Finally, I review some of the various applications of the first law of compact binary mechanics, before concluding and discussing some prospects for future research.

Composition du jury
Marie-Christine Angonin, Professeure, Sorbonne Université, Observatoire de Paris-SYRTE, France,
Frédéric Baudin, Astronome, Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Sud, France,
Patrick Boumier, Directeur de Recherche au CNRS, Institut d’Astrophysique Spatiale, Université Paris-Sud, France,
Marc-Antoine Dupret, Professeur, Université de Liège, Département d’Astrophysique, Belgique,
Arlette Noels- Grötsch, Université de Liège, Département d’Astrophysique, Belgique,
John Leibacher, Astronome, National Solar Observatory, Tucson, USA,

Résumé
La physique stellaire a connu ces dernières années des évolutions importantes et rapides. Une part des avancées est à mettre sur le compte de la sismologie stellaire et l’avènement de l’astérosismologie spatiale, grâce aux missions CoRoT et Kepler, qui ont permis d’augmenter significativement le nombre d’étoiles observées avec des oscillations mais également la qualité de ces observations. De nouveaux champs se sont alors ouverts et des synergies méthodologiques et scientifiques ont émergées. L’arrivée prochaine de la mission spatiale PLATO permettra d’exploiter au mieux toutes ces opportunités et laisse donc entrevoir que l’astérosismologie restera un domaine dynamique pour de nombreuses années encore.

Dans ce contexte, les pulsateurs de type solaire sont certainement ceux qui ont apporté la plus riche moisson de résultats scientifiques. J’aborderai certains aspects, principalement théoriques, sur lesquels j’ai travaillé. En premier lieu, suite à la multiplication des détections des étoiles présentant des oscillations semblables à celles observées dans le Soleil, une nouvelle façon de faire de la sismologie a émergée, c’est la sismologie d’ensemble. Cela va de l’utilisation de lois d’échelle afin d’obtenir des estimations précises des paramètres stellaires à l’exploitation des modes mixtes permettant de sonder le cœur des étoiles évoluées en passant par la mise en évidence du ralentissement du cœur de ces étoiles. La recherche d’un processus physique capable d’expliquer ces observations et donc de redistribuer le moment cinétique est devenu un enjeu majeur. Le second aspect qui sera abordé est lié à la physique des oscillations et à son lien avec les propriétés de la convection turbulente dans les étoiles de faible masse. Cette intrication est le résultat d’un couplage fort dont plusieurs observables viennent témoigner, à savoir : l’amplitude, la largeur, ou encore les fréquences de modes d’oscillation. J’aborderai donc les travaux que j’ai effectué autour de ces observables avec le souci constant de tenter d’appréhender au mieux la physique sous-jacente et ainsi faire le lien avec les propriétés de la turbulence. Obtenir des contraintes fortes sur la turbulence dans des régimes stellaires est en effet un objectif de long terme de mon travail.

Summary :
Stellar physics has undergone important and rapid evolutions in recent years. Part of these advances is due to stellar seismology and the advent of space-borne asteroseismology, thanks to the CoRoT and Kepler spacecrafts, which have significantly increased both the number of stars observed with oscillations and the quality of these observations. New fields have been opened and methodological and scientific synergies have emerged. The forthcoming arrival of the PLATO space mission will allow to exploit all these opportunities and let us foresee that asteroseismology will remain a dynamic field for many years to come.
In this context, the solar type pulsators are certainly those which brought the richest harvest of scientific results. I will discuss here some aspects, mainly theoretical, on which I have worked. First, following the multiplication of stars showing solar-like oscillations, a new way of doing seismology has emerged, it is the ensemble seismology. This goes from the use of scaling laws to obtain precise estimates of stellar parameters to the exploitation of so-called mixed modes to probe the core of evolved stars. This has allowed to highlight the slowing down of the core of these stars during their evolution and thus to emphasize the need for new physical processes to redistribute the angular momentum. The second aspect detailed here is related to the physics of oscillations and its link with the properties of turbulent convection in low mass stars. This entanglement is the result of a strong coupling between these two processes. Several observables testify to this coupling, namely : the amplitude, the width, or the frequencies of oscillation modes. I will approach the work I have done around these observables with the constant concern of trying to understand the underlying physics and thus make the link with the properties of turbulence. Obtaining strong constraints on turbulence in stellar regimes is indeed a long-term goal of my work.

Composition du jury
Thierry Fouchet (OBSPM),
Cathy Quentin (UCB Lyon1),
Frédéric Schmidt (GEOPS),
Cristina De Sanctis (INAF),
Patrick Pinet (IRAP),
Rachel Klima (APL)

Résumé
Les surfaces planétaires des lunes, des astéroïdes, des comètes et des planètes sont extrêmement différentes et reflètent leurs différentes étapes de formation et d’évolution. Les compositions chimiques, les formations géologiques et les propriétés physiques des surfaces planétaires sont des atouts remarquables et disponibles pour reconstruire l’histoire de ces objets. Mes recherches portent sur la compréhension des différentes propriétés de ces surfaces afin de dessiner une vue plus avancée et plus complète du Système solaire, avec l’objectif d’isoler éventuellement les aspects les plus primitifs pour mieux comprendre la formation des surfaces planétaires. Les processus tels que les impacts et le volcanisme sont fondamentaux à tous ces objets et leurs comparaisons directes aident à interpréter la spécificité de chaque objet. De même que l’analyse des formations géologiques sur les petits corps, je compare les processus volcaniques sur la Lune et Mercure pour mieux décrire les ressemblances et/ou différences sur la formation et l’évolution des surfaces planétaires. Pour réaliser ces comparaisons, j’analyse minutieusement les observations du visible au proche infrarouge renvoyées par les instruments de télédétection et j’en extrais les singularités.

Summary :
Planetary surfaces ranging from moons, asteroids, comets and planets are extremely different and reflect various steps of the object’s formation and evolution. Chemical compositions, geological landforms and physical properties of planetary surfaces are remarkable assets available to reconstruct the history of these objects. My research focuses on understanding the various properties of those surfaces in order to draw a more advanced and comprehensive view of the Solar System, with the objective of possibly isolating the most primitive aspects to shed light on the formation of planetary surfaces. Processes such as impacts and volcanism are fundamental for all those objects, and their direct comparisons help to interpret the specificity of each object. Similarly to analysing morphological landforms on small bodies, I compare volcanic processes on the Moon and Mercury to better describe the resemblances and/or differences on the formation and evolution of planetary surfaces. To achieve those comparisons, I meticulously analyse the visible to near-infrared observations returned by remote sensing instruments, and extract peculiarities.

Composition du jury
Président : Emmanuel Lellouch, Laboratoire d’Etudes Spatiales et d’Instrumentation en Astrophysique
Rapportrices : Isabelle Couturier-Tamburelli, Laboratoire de Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires
Caitlin Griffith, Lunar and Planetary Laboratory
Véronique Vuitton, Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble
Examinateurs : Sébastien Lebonnois, Laboratoire de Météorologie Dynamique
Pascal Rannou, Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique

Résumé
Je présenterai mes travaux de recherche de 2008 à 2020 qui ont principalement porté sur l’étude du fonctionnement de l’atmosphère de Titan et en particulier sur les couplages entre chimie, microphysique, forçage radiatif et dynamique ainsi que leurs changements saisonniers dans la moyenne atmosphère. La compréhension de ces phénomènes nécessite d’analyser des données présentant des très bonnes résolutions spatiales et temporelles. Les meilleures données disponibles pour atteindre cet objectif sont celles qui ont été acquises par le spectromètre Composite Infrared Spectrometer (CIRS) à bord de la sonde Cassini de 2004 à 2017, soit du premier tiers de l’hiver nord au tout début de l’été sur Titan. J’ai contribué à l’étude de ces couplages principalement grâce à l’analyse de ces données mais également en collaborant avec les modélisateurs et en participant à l’interprétation quantitative des observations.
Après avoir présenté le contexte scientifique, je détaillerai la méthode d’analyse des données du spectromètre CIRS. Je présenterai ensuite mes travaux sur la détermination de la composition et de l’impact radiatif des aérosols photochimiques qui jouent un rôle prépondérant dans le bilan radiatif de l’atmosphère. En effet, étant omniprésents dans l’atmosphère, ils absorbent le rayonnement solaire et émettent en infrarouge thermique, impactant ainsi fortement la température atmosphérique. J’aborderai ensuite l’évolution du champ de température et des abondances d’espèces photochimiques dont les variations saisonnières sont fortement influencées par celles de la dynamique atmosphérique. Je parlerai de l’apparition, de la composition et de la structure du nuage stratosphérique polaire massif observé à partir de la seconde moitié de l’automne sud et directement lié aux faibles température et forts enrichissements moléculaires au sein du vortex polaire. Enfin, je montrerai comment l’évolution de ce vortex polaire à la fin de l’automne sud a impacté les champs d’abondance des espèces photochimiques. L’interprétation quantitative des observations et la compréhension globale d’une atmosphère aussi complexe que celle de Titan ne peut se faire qu’en étroite collaboration avec de nombreuses équipes qui étudient différents aspects de cette atmosphère, ces collaborations seront mentionnées à la fin de la présentation.

Summary :
I will present my research work from 2008 to 2020, which mainly focused on the study of the atmosphere of Titan and more particularly on the couplings between chemistry, microphysics, radiative forcing and dynamics as well as their seasonal changes in the middle atmosphere. Such a study needs data analysis with very good spatial and temporal resolutions. The best datasets available to achieved this goal are those acquired by the Composite Infrared Spectrometer (CIRS) aboard the Cassini probe from 2004 to 2017, i.e. from the first third of northern winter to the very beginning of summer. I contributed to this field mainly through the analysis of CIRS data but also by collaborating with modelers and participating in the quantitative interpretation of observations.
After presenting the scientific context, I will detail the method of data analysis. I’ll then present my work on the determination of the composition and the radiative impact of photochemical aerosols which play a preponderant role in the radiative balance of the atmosphere. Indeed, being ubiquitous in the atmosphere, they absorb solar radiation and emit in thermal infrared, thus strongly impacting the atmospheric temperature. I will then discuss the evolution of the temperature field and the abundances of photochemical species whose seasonal variations are strongly influenced by the atmospheric dynamics. I’ll discuss the appearance, composition and structure of the massive stratospheric polar cloud from the second half of the southern autumn and that directly linked to low temperatures and high molecular enrichments within the polar vortex. Finally, I’ll show how this polar vortex evolved at the end of the southern autumn and how it impacted the fields of abundance of photochemical species. The quantitative interpretation of the observations and understanding of an atmosphere as complex as that of Titan can only be done in close collaboration with many teams that study different aspects of this atmosphere, these collaborations will be presented at the end of the presentation.