In this thesis, we examine the role of accretion disks in the formation of stellar systems, focusing on young massive disks which regulate the flow of material from the parent molecular core down to the star. We study the evolution of disks with high infall rates that develop strong gravitational instabilities. We begin in chapter 1 with a review of the observations and theory which underpin models for the earliest phases of star formation and provide a brief review of basic accretion disk physics, and the numerical methods which we employ. In chapter 2 we outline the current models of binary and multiple star formation, and review their successes and shortcomings from a theoretical and observational perspective. In chapter 3 we begin with a relatively simple analytic model for disks around young, very massive stars, showing that instability in these disks may be responsible for the higher multiplicity fraction of massive stars, and perhaps the upper mass to which they grow. We extend these models in chapter 4 to explore the properties of disks and the formation of binary companions across a broad range of stellar masses. In particular, we model the role of global and local mechanisms for angular momentum transport in regulating the relative masses of disks and stars. We follow the evolution of these disks throughout the main accretion phase of the system, and predict the trajectory of disks through parameter space. We follow up on the predictions made in our analytic models with a series of high resolution, global numerical experiments in chapter 5. Here we propose and test a new parameterization for describing rapidly accreting, gravitationally unstable disks. We find that disk properties and system multiplicity can be mapped out well in this parameter space. Finally, in chapter 6, we address whether our studies of unstable disks are relevant to recently detected massive planets on wide orbits around their central stars.

In this thesis, we examine the role of accretion disks in the formation of stellar systems, focusing on young massive disks which regulate the flow of material from the parent molecular core down to the star. We study the evolution of disks with high infall rates that develop strong gravitational instabilities. We begin in chapter 1 with a review of the observations and theory which underpin models for the earliest phases of star formation and provide a brief review of basic accretion disk physics, and the numerical methods which we employ. In chapter 2 we outline the current models of binary and multiple star formation, and review their successes and shortcomings from a theoretical and observational perspective. In chapter 3 we begin with a relatively simple analytic model for disks around young, very massive stars, showing that instability in these disks may be responsible for the higher multiplicity fraction of massive stars, and perhaps the upper mass to which they grow. We extend these models in chapter 4 to explore the properties of disks and the formation of binary companions across a broad range of stellar masses. In particular, we model the role of global and local mechanisms for angular momentum transport in regulating the relative masses of disks and stars. We follow the evolution of these disks throughout the main accretion phase of the system, and predict the trajectory of disks through parameter space. We follow up on the predictions made in our analytic models with a series of high resolution, global numerical experiments in chapter 5. Here we propose and test a new parameterization for describing rapidly accreting, gravitationally unstable disks. We find that disk properties and system multiplicity can be mapped out well in this parameter space. Finally, in chapter 6, we address whether our studies of unstable disks are relevant to recently detected massive planets on wide orbits around their central stars.

J'ai effectué une étude des éléments C, N, et O dans les atmosphères d'étoiles chimiquement particulières de la séquence principale, où ils sont sous-abondants et répartis de manière inhomogène. J'ai recensé les processus physiques qu'il faut inclure dans les calculs d'accélération radiative et montré leur importance relative. Des améliorations majeures par rapport aux approximations usuelles ont été obtenues grâce à l'utilisation systématique des données atomiques du projet OPACITY. Elles permettent de calculer précisément la dépendance en fréquence des opacités, et d'améliorer l'évaluation des largeurs de raies. Les contributions des raies et de la photoionisation sont calculées pour chaque ion et l'accélération totale sur un élément donné est obtenue grâce à un modèle prenant en compte les réactions rapides entre ions. Les accélérations radiatives calculées pour le carbone, l'azote, et l'oxygène, les poussant vers le haut, apparaissent inférieures à la gravité dans tous les modèles d'enveloppe considérés (étoiles de type A à F), pour une large gamme de paramètres, expliquant leurs déficits marquées à la surface de la plupart des étoiles chimiquement particulières. Des tables donnant d'une part l'opacité de ces éléments, d'autre part leur accélération radiative sur une grille contenant de nombreuses conditions de plasma permettent d'effectuer des calculs d'évolution stellaire prenant en compte tous les aspects de la diffusion des éléments C, N, et O, les plus abondants après H et He. <br /> <br />Je me suis ensuite intéressé aux étoiles de type lambda Bootis, un petit sous-groupe singulier d'étoiles chimiquement particulières, dont les anomalies d'abondance ne sont pas expliquées par le modèle de la diffusion radiative. Il s'agirait plutôt d'étoiles jeunes, encore entourées des restes du disque à partir duquel elles se sont formées, et dont elles accrèteraient un gaz appauvri en éléments lourds, ceux-ci s'étant condensés en grains. Afin de vérifier cette hypothèse, nous avons recherché la signature de matière circumstellaire dans le spectre de ces étoiles. Peu d'étoiles de notre échantillon montrent un tel indice et nos résultats suggèrent une anti-corrélation entre la présence de gaz ou de poussières, pouvant caractériser deux états différents dans l'évolution du disque protostellaire. Au cours de cette étude, nous avons découvert par hasard le premier cas de pulsations non radiales dans une étoile de type lambda Bootis, puis montré qu'elles sont communes dans ce groupe. L'identification des modes de pulsation permet de remonter à la structure interne de ces étoiles et à leur état d'évolution, permettant ainsi de tester le modèle d'accrétion. <br /> <br />Mon étude des environnements circumstellaires des étoiles lambda Bootis m'a conduit à m'intéresser aux disques protoplanétaires. Jusqu'à récemment, nous n'avions observé qu'un seul système solaire (le nôtre) dans lequel nous pouvions tester notre compréhension du processus de formation de planètes. Maintenant, plus d'une centaine de planètes ont été découvertes autour d'autres étoiles et les contraintes sur les modèles théoriques sont devenues très serrées. Nous savons que, dans la nébuleuse solaire, les particules de poussière de la taille du micron se sont agglomérées pour former des planètes, objets 10^13 à 10^14 fois plus grands. Bien qu'il y ait beaucoup de travail réalisé sur les dernières étapes de cette formation, et sur la migration de planètes déjà formées, peu de travail a été fait pour développer des modèles hydrodynamiques décrivant l'interaction du gaz et de la poussière dans les disques proto-planétaires. Nous développons un code hydrodynamique SPH permettant de modéliser cette interaction, principalement par la force de friction, entre deux phases: du gaz et des grains de poussière d'une taille donnée. Nous obtenons ainsi la répartition spatiale des grains dans le disque en fonction de leur taille. Ce travail correspond à la thèse de Laure Barrière-Fouchet, qui se termine en 2005. Nous projetons ensuite d'ajouter les mécanismes de coagulation, croissance, et évaporation des grains de poussière en modélisant plusieurs phases pour différentes tailles de grains et la variation du nombre de particules dans chaque phase qui en résulte. Ceci permettra de caractériser les zones du disque les plus favorables à la formation de planétésimaux. Ensuite, il s'agira d'explorer plus profondément les mécanismes de formation de planètes. En effet, si l'on arrive assez bien à faire croître les grains microscopiques jusqu'à une taille de l'ordre du centimètre, les collisions entre ces gros grains les refragmentent et empêchent de dépasser cette taille. Plusieurs solutions sont à envisager pour permettre de passer ce cap: diminution des vitesses de collisions dans les régions plus denses, rôle de la turbulence, etc... <br /> <br />Un peu à part de mes travaux précédents, avec mes collègues de l'ESO, j'ai observé et pris le premier spectre de la contrepartie optique du sursaut gamma GRB980425, qui s'est avéré être une supernova très particulière: SN1998bw. Son spectre en évolution rapide ne permettait pas de classer cette supernova, la première à être associée à un sursaut gamma, dans les types connus. Notre équipe a suivi régulièrement l'évolution de sa courbe de lumière et de son spectre, la somme de données recueillie ayant conduit à un modèle d'hypernova.