Diffusion chaotique dans le Système Solaire // Chaotic diffusion in the Solar System

Le mouvement des planètes dans le système solaire est chaotique (Laskar, 1989, 1990) ( Laskar, 1989, 1990). Il en résulte qu'il est impossible de prédire exactement son évolution au-delà de 60 millions d'années (Ma) (Laskar et al., 2011). Sur des durées plus longue, il est encore possible de faire des pré- dictions, mais de manière statistique (Laskar, 2008). Dans les dernières années, nous avons affiné cette compréhension de la diffusion chaotique des orbites planétaires dans le système solaire (F. Mogavero and Laskar, 2021, 2022; F. Mogavero et al., 2023; Hoang et al., 2021, 2022). Cependant plusieurs questions restent en suspens. Nous avons une idée de la diffusion des orbites planétaire dans le futur, mais nous voulons maintenant avoir une idée plus précise de l'évolution passée du système solaire.
Pour ce faire, nous utiliserons deux approches : l'une purement dynamique consiste à mieux com- prendre les trajectoires possible du système solaire dans le réseau des résonances séculaires qu'il a pu rencontrer au cours de son histoire. Pour ce faire, on utilisera des modèles purmenent N-corps, mais aussi des modèles moyennisés, très efficaces, permettant des vitesses de calcul 1000 fois plus rapides que l'intégration directe, ce qui devient nécessaire pour des études de diffusion statistique.
Par ailleurs, dans le cadre du projet AstroGeo, nous avons mis au point une méthode efficace permettant de reconstruire certains éléments de l'orbite de la Terre à partir des séries sédimentaires géologiques. Au sein de l'équipe, nous sommes donc en train de reconstruire des données passée de l'évolution orbitale du système solaire il y a plusieurs dizaines, voire centaines de millions d'années. Il sera donc possible d'utiliser ces éléments pour contraindre la diffusion chaotique du sytème solaire au cours du temps, en se focalisant en un premier temps sur le Mésozoic, c'est à dire les plus récents 250 Ma.
Le travail de thèse se concentre sur l'aspect dynamique du problème, dans une approche statistique.

References
F. Mogavero, Hoang, N. H., and Laskar, J. (2023). Timescales of Chaos in the Inner Solar System: Lyapunov Spectrum and Quasi-integrals of Motion. Physical Review X, 13(2):021018.
F. Mogavero and Laskar, J. (2021). Long-term dynamics of the inner planets in the Solar System.
Astronomy and Astrophysics, 655:A1.
F. Mogavero and Laskar, J. (2022). The origin of chaos in the Solar System through computer algebra.
Astronomy and Astrophysics, 662:L3. Letter to the Editor.
Hoang, N. H., F. Mogavero, and Laskar, J. (2021). Chaotic diffusion of the fundamental frequencies in the solar system. Astronomy and Astrophysics, 654:A156.
Hoang, N. H., F. Mogavero, and Laskar, J. (2022). Long-term instability of the inner Solar system: numerical experiments. Monthly Notices of the RAS, 514(1):1342–1350.
Laskar, J. (1989). A numerical experiment on the chaotic behaviour of the solar system. Nature, 338:237.
Laskar, J. (1990). The chaotic motion of the solar system - a numerical estimate of the size of the chaotic zones. Icarus, 88:266–291.

Laskar, J. (2008). Chaotic diffusion in the solar system. Icarus, 196:1–15.
Laskar, J., Gastineau, M., Delisle, J., Farrés, A., and Fienga, A. (2011). Strong chaos induced by close encounters with ceres and vesta. Astronomy and Astrophysics, 532:L4.
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The motion of the planets in the solar system is chaotic (Laskar, 1989, 1990). As a result, it is impossible to precisely predict its evolution beyond 60 million years (Ma) (Laskar et al., 2011). Over longer timescales, predictions are still possible but only in a statistical manner (Laskar, 2008). In recent years, we have refined our understanding of the chaotic diffusion of planetary orbits in the solar system (F. Mogavero and Laskar, 2021, 2022; F. Mogavero et al., 2023; Hoang et al., 2021, 2022). However, several questions remain unanswered. We have an idea of the diffusion of planetary orbits in the future, but we now aim to obtain a more precise understanding of the past evolution of the solar system.

To achieve this, we will use two approaches. The first, purely dynamical, aims to better understand the possible trajectories of the solar system within the network of secular resonances it may have encountered throughout its history. For this purpose, we will use purely N-body models, as well as averaged models, which are highly efficient and allow computation speeds up to 1000 times faster than direct integration, making them necessary for statistical diffusion studies.

Furthermore, as part of the AstroGeo project, we have developed an efficient method to reconstruct certain elements of Earth's orbit from geological sedimentary records. Within our team, we are currently reconstructing past data on the orbital evolution of the solar system over tens or even hundreds of millions of years. These elements will make it possible to constrain the chaotic diffusion of the solar system over time, initially focusing on the Mesozoic, i.e., the last 250 Ma.

The PhD work focuses on the dynamical aspect of the problem within a statistical approach.

References
F. Mogavero, Hoang, N. H., and Laskar, J. (2023). Timescales of Chaos in the Inner Solar System: Lyapunov Spectrum and Quasi-integrals of Motion. Physical Review X, 13(2):021018.
F. Mogavero and Laskar, J. (2021). Long-term dynamics of the inner planets in the Solar System.
Astronomy and Astrophysics, 655:A1.
F. Mogavero and Laskar, J. (2022). The origin of chaos in the Solar System through computer algebra.
Astronomy and Astrophysics, 662:L3. Letter to the Editor.
Hoang, N. H., F. Mogavero, and Laskar, J. (2021). Chaotic diffusion of the fundamental frequencies in the solar system. Astronomy and Astrophysics, 654:A156.
Hoang, N. H., F. Mogavero, and Laskar, J. (2022). Long-term instability of the inner Solar system: numerical experiments. Monthly Notices of the RAS, 514(1):1342–1350.
Laskar, J. (1989). A numerical experiment on the chaotic behaviour of the solar system. Nature, 338:237.
Laskar, J. (1990). The chaotic motion of the solar system - a numerical estimate of the size of the chaotic zones. Icarus, 88:266–291.

Laskar, J. (2008). Chaotic diffusion in the solar system. Icarus, 196:1–15.
Laskar, J., Gastineau, M., Delisle, J., Farrés, A., and Fienga, A. (2011). Strong chaos induced by close encounters with ceres and vesta. Astronomy and Astrophysics, 532:L4.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://www.codd-home.net/times

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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Observatoire de Paris

127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France

Maitrise des bases de la mécanique céleste, séries de perturbations, intégrations numérique - Systèmes Dynamiques. Des notions de statistiques sont vivement recommandées.
Mastery of the fundamentals of celestial mechanics, perturbation series, numerical integration - Dynamical Systems. Some knowledge of statistics is highly recommended.