Domaine, spécialité : Astrophysique
Unité d’accueil : DAp / LDE3
Résumé
La découverte d’une exoplanète en orbite autour d’une étoile semblable au Soleil (Mayor & Queloz, 1995), récompensée par le prix Nobel de physique en 2019, a ouvert une nouvelle ère dans les sciences planétaires. Depuis, la détection des exoplanètes, la caractérisation de leurs atmosphères et l’étude des interactions étoile–planète sont devenues des axes de recherche majeurs (Winn & Fabrycky, 2015 ; Madhusudhan, 2019 ; Cuntz et al., 2000). Les interactions magnétiques étoile–planète (SPMI, pour Star–Planet Magnetic Interactions) permettent de sonder les vents stellaires et les champs magnétiques planétaires, avec des implications importantes pour l’évolution des atmosphères et l’habitabilité des planètes (Shkolnik et al., 2015 ; Vidotto et al., 2013 ; Strugarek et al., 2022).
La recherche de signatures de ces interactions se poursuit depuis plusieurs décennies. Bien que les détections convaincantes restent rares, les indices observationnels continuent de s’accumuler (Shkolnik et al., 2003, 2008 ; Cauley et al., 2019 ; Ilin et al., 2025 ; Revilla et al., 2026). Notre équipe travaille depuis plus de dix ans sur la modélisation et la détection des SPMI et a développé AstroSPI (Yang & Strugarek, en préparation), un outil de simulation efficace permettant d’explorer ces interactions sans avoir à exécuter des simulations magnétohydrodynamiques (MHD) coûteuses en ressources de calcul.
Ce projet vise à élargir l’échantillon de systèmes présentant des interactions magnétiques étoile–planète en utilisant AstroSPI pour identifier des cibles observationnelles prometteuses, dont les planètes orbitent à l’intérieur de la surface d’Alfvén de leur étoile, une région dans laquelle les perturbations magnétiques peuvent se propager jusqu’à l’étoile hôte. Si le temps disponible le permet, une modélisation MHD entièrement tridimensionnelle (3D) de ces nouveaux systèmes sera également réalisée au cours du stage.
Ce stage pourrait ainsi augmenter sensiblement le nombre de candidats présentant des interactions magnétiques étoile–planète et orienter les futures campagnes d’observation, posant les bases d’études plus approfondies de ces interactions
Sujet détaillé
L’objectif de ce projet est d’élargir l’échantillon de cibles prometteuses pour l’étude des interactions magnétiques étoile–planète (SPMI). Ces interactions constituent un moyen potentiel de sonder les vents stellaires et les champs magnétiques planétaires, avec des implications importantes pour l’évolution des atmosphères planétaires et l’habitabilité (Shkolnik et al., 2015 ; Vidotto et al., 2013 ; Strugarek et al., 2022). Les recherches de signatures de SPMI sont menées depuis plusieurs décennies et, bien que les détections convaincantes restent rares, les indices observationnels continuent de s’accumuler (Shkolnik et al., 2003, 2008 ; Cauley et al., 2019 ; Ilin et al., 2025 ; Revilla et al., 2026).
Moins de dix systèmes planétaires ont fait l’objet de signalements de détections candidates de SPMI, alors que plus de 6 000 exoplanètes sont aujourd’hui connues. Les recherches dans le domaine optique nécessitent généralement des observations répétées à plusieurs époques, mobilisant des spectrographes à haute résolution. La réalisation de campagnes de recherche systématiques sans sélection préalable des cibles est donc peu réaliste, compte tenu du temps de télescope considérable qu’elles exigeraient. Parallèlement, le nombre limité de détections observationnelles rend difficile l’identification des cibles les plus prometteuses pour des observations de suivi, entretenant ainsi un cercle vicieux.
Ce projet permettra de constituer un échantillon de cibles potentielles présentant des SPMI à l’aide d’AstroSPI, un outil de modélisation de ces interactions développé grâce à plus de dix ans d’expérience dans ce domaine. Le logiciel AstroSPI a été conçu pour offrir une alternative accessible aux simulations magnétohydrodynamiques exigeantes en ressources de calcul, tout en intégrant les principaux processus physiques pertinents pour les SPMI. Il permet aux utilisateurs de se concentrer sur la compréhension de l’influence des différentes hypothèses physiques, des modèles et des paramètres des systèmes sur les interactions prédites, sans être freinés par la complexité numérique des simulations détaillées. Ce logiciel est donc particulièrement adapté aux jeunes chercheurs, auxquels il permet de s’investir rapidement dans la recherche sur les SPMI tout en acquérant de l’expérience dans les domaines des données exoplanétaires, des vents stellaires, des interactions magnétiques et de la modélisation scientifique.
Le ou la stagiaire commencera par compiler les paramètres stellaires et planétaires pertinents des systèmes exoplanétaires connus, en utilisant les fonctions d’AstroSPI qui récupèrent des données via des interfaces de programmation d’applications (API) auprès des principales archives d’exoplanètes. Il ou elle se familiarisera ensuite avec les processus physiques à l’origine des SPMI, sélectionnera les modèles physiques et les paramètres d’entrée appropriés, puis identifiera les systèmes dans lesquels la planète est susceptible de pénétrer dans la région sub-Alfvénienne et de conserver une connexion magnétique avec son étoile hôte.
AstroSPI sera ensuite utilisé pour estimer la puissance des interactions qui en résultent ainsi que leur variabilité temporelle, et pour évaluer si les signaux prédits pourraient être détectés au moyen d’observations spectroscopiques répétées à plusieurs époques. Enfin, le ou la stagiaire synthétisera les résultats et préparera un article scientifique présentant à la communauté astronomique l’échantillon de systèmes candidats.
Le stage comprendra donc les étapes suivantes :
Revue bibliographique et cadre physique (~ 1 mois) : acquérir une compréhension générale des SPMI et identifier les paramètres physiques et observationnels qui déterminent la probabilité de détecter leurs signatures. Se familiariser avec le code AstroSPI et son fonctionnement.
Constitution de l’échantillon et analyse statistique (~ 2 mois) : constituer un échantillon de systèmes planétaires susceptibles de présenter des signatures de SPMI détectables et réaliser une analyse statistique de leurs propriétés. Étudier les relations entre les paramètres stellaires, planétaires et ceux caractérisant les interactions ; déterminer pourquoi certains systèmes constituent des cibles observationnelles prometteuses ; et interpréter les propriétés physiques prédites par AstroSPI. Si le temps disponible le permet, les cibles les plus prometteuses seront également modélisées à l’aide du code interne de simulation MHD 3D des interactions étoile–planète, fondé sur le code PLUTO, afin de réaliser l’évaluation la plus réaliste possible de ces systèmes à ce jour.
Rédaction scientifique (~ 1 mois) : rédiger le rapport de stage et préparer une première version d’un manuscrit scientifique présentant les méthodes et les résultats.
Les résultats contribueront à une compréhension plus systématique des interactions magnétiques étoile–planète et permettront d’établir une liste hiérarchisée de cibles pour de futures campagnes d’observation. Étroitement lié au domaine de la recherche sur les exoplanètes, en plein essor, ce stage offrira également une solide formation scientifique aux étudiants souhaitant poursuivre en doctorat.
Le projet s’inscrit dans le cadre du projet ERC ExoMagnets, dirigé par A. Strugarek au CEA, au sein du département DAp-AIM. L’équipe se compose actuellement de deux doctorants et de trois chercheurs postdoctoraux, dont F. Yang. Le ou la stagiaire travaillera aux côtés d’une équipe de chercheurs spécialisés en physique stellaire et exoplanétaire, comprenant notamment A. S. Brun, S. Mathis, R. García et A. García-Muñoz.
Lieu du stage
Saclay
Conditions de stage
- Durée du stage : 4 mois
- Niveau d’étude requis : Bac+4/5
- Formation : Master 1
- Poursuite possible en thèse : Non
- Date limite de candidature : 4 mars 2027
Compétences requises
Langue : Anglais