Molecular emission in regions of star formation - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2008

Molecular emission in regions of star formation

Emission moleculaire dans les regions de formation stellaire

Antoine Gusdorf

Résumé

Recent observations show that young stars being formed eject matter at several tens of kilometers per second, in the form of 'jets' that impact the matter whose collapse is at the origin of the formation of the star. The supersonic impact between this jet and the parent interstellar cloud of the star generates a shock front, in the form of a bow-shock, which propagates in the collapsing interstellar gas, and also an inverse shock that propagates along the jet itself.

The structure of these shocks depends on their velocity as well as on the physical properties of the gas in which they propagate, and specially on the value of the local magnetic field. Numerical MagnetoHydroDynamical simulations of the propagation of such shocks are a way to constrain the physical and chemical properties of the gas in which molecular lines are emitted. Interstellar shocks are modelled, both in stationary and non stationary ways, and grids of models are built for various ranges of input, preshock parameters (shock velocity, preshock density, magnetic field, and shock age for non stationary models).

The case of molecular hydrogen is investigated first. Because of its particular importance (due to its large density and crucial role as a gas coolant or as a collision partner for molecular species), its level populations are solved within the shock code, as well as its population transfer. The shock wave modifies the chemical composition of the gas, partially or totally dissociating the molecular hydrogen, which is the main coolant of the gas. In the regions where molecular hydrogen still remains, H2 is collisionally excited, generating rovibrational and purely rotational transitions emission. These emissions are actually observed, from the ground in Infrared region, by ISO (Infrared Space Observatory) and Spitzer satellites. Excitation diagrams are used to compare the models with existing observations in the L1157 outflow around a young, Class 0 proto-star, confirming that non-stationary shock models are required to reproduce simultaneously the column densities of the ground and the excited vibrational levels of H2.

In addition to this, the formation of the characteristic molecule of SiO is favored by chemical reactions in the shock region, allowing for the observation of its emission in the Infrared and Submillimetric windows (IRAM, CSO, JCMT). Its radiative transfer is simulated through a numerical program based on the Large Velocity Gradient (LVG) approximation. This program is built, tested in basic conditions and also against other benchmark calculations, and then ran on the output files of the shock code corresponding to the models grid mentioned above. The excitation mechanisms of molecular lines are hence studied, integrated intensity diagrams and line profiles are computed. Comparisons with observations of the L1157 region are also performed independently of the molecular hydrogen results, with a good level of agreement for stationary shock models and under various assumptions relative to the initial distribution of Si-bearing material in the dust grains and to the initial distribution of oxygen in the gas phase. Finally the emission of the molecule of SiO in non stationary shock models is investigated under the same assumptions, and attempts to fit molecular hydrogen and SiO observations simultaneously (with the same shock model) are made, with encouraging level of agreement.

To complete the study, the emission of CO is also considered in stationary and non stationary shock models, and added to the list of molecules whose emission is expected to the same region (i.e. in the same shock conditions) as the previous ones, again in the case of the L1157 region. The radiative transfer treatment is the same as for SiO, although CO comparisons with observations do not yield further constraints on the shock model parameters that already generate good agreement in terms of H2 and SiO comparisons.
Des observations récentes montrent que les jeunes étoiles en cours de formation éjectent de la matière à des dizaines de kilomètres par seconde, sous la forme de jets et flots impactant le milieu ambient dont l'effondrement est a l'origine de la formation stellaire. L'impact supersonique entre le jet et le nuage moléculaire parent de l'étoile génère un front de choc sous la forme d'un “bow-shock” se propageant dans le gaz interstellaire, et qui s'accompagne d'un choc en retour qui se propage le long du jet.

La structure de ces chocs dépend de leur vitesse ainsi que des propriétés physiques du gaz dans lequel ils se propagent, et notamment de la valeur du champ magnétique local. Les simulations numériques de type magnétohydrodynamique de propagation de tels chocs permettent de contraindre les propriétés physiques et chimiques du gaz dans lequel est générée l'émission moléculaire. Les chocs interstellaires, stationnaires et non stationnaires sont ainsi modélisés, et des grilles de modèles sont construites, pour différentes plages de valeurs des paramètres préchocs qui sont aussi les paramètres d'entrée du code de choc, parmi lesquels la vitesse de choc, la densité préchoc, le champ magnétique, et l'âge des chocs dans le cas des chocs non stationnaires.

L'émission de la molécule de dihydrogène est d'abord étudiée. En raison de son importance particulière (due à son importante densité ainsi qu'au rôle crucial joué en tant que refroidisseur du gaz et de partenaire de collision pour les espèces moléculaires), la population de ses niveaux est résolue à l'intérieur du code de choc, ainsi que son transfert de rayonnement. L'onde de choc modifie la composition chimique du gaz, dissociant partiellement ou totalement l'hydrogène moléculaire, qui est le principal agent refroidissant du gaz. Dans les régions où le dihydrogène subsiste, il est excité collisionnellement , générant ainsi de l'émission dans ses transitions rovibrationnelles et purement rotationnelles. Cette émission est en effet observée dans l'infrarouge par les satellites ISO (Infrared Space Observatory) et Spitzer. Les diagrammes d'excitation correspondants sont ensuite utilisés pour comparer les modèles aux observations existantes pour le flot bipolaire L1157, détecté autour d'une jeune protoétoile de Classe 0. Ces comparaisons confirment la nécessité d'un recours aux modèles de chocs non stationnaires pour interpréter les densités de colonne observées pour les niveaux de H2.

De telles régions de chocs génèrent des conditions physiques et chimiques elles mêmes à l'origine d'une chimie particulière favorisant la formation de molécules caractéristiques telles que SiO, dont l'émission est alors observée dans les fenêtres infrarouge et submillimétrique (IRAM, CSO, JCMT). Le transfert de rayonnement de la molécule de SiO est simulée à l'aide d'un programme numérique reposant sur l'approximation LVG (Large Velocity Gradient). Ce programme est écrit, testé dans des conditions basiques, comparé à d'autres modèles de référence, puis utilisé en sortie du code de choc pour les modèles des grilles mentionnées plus haut. Les mécanismes d'émission des raies moléculaires sont ainsi étudiés, des digrammes d'intensité intégrée et des profils de raie sont alors produits. Des comparaisons avec les observations de la région L1157 sont effectuées indépendamment des résultats relatifs au dihydrogène, avec un bon accord pour des modèles de choc stationnaires et sous diverses hypothèses de répartition initiale du silicium dans les grains de poussière, et de l'oxygène dans la phase gazeuse. Enfin, l'émission de SiO est aussi étudiée dans le cadre de ces mêmes hypothèses dans les chocs non stationnaires. La comparaison simultanée des observations SiO et H2 est alors réalisée, c'est à dire leur ajustement par un même modèle de choc, avec des résultats encourageants.

Pour compléter cette étude, l'émission de CO est aussi envisagée dans les modèles de chocs stationnaires et non stationnaires, et le monoxyde de carbone est ajouté à la liste des molécules dont la production et l'émission peuvent être modélisées par le même choc que H2 et SiO avec un accord satisfaisant, même si cet ajout ne génère pas de contrainte supplémentaire par rapport à ces deux molécules.
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Dates et versions

tel-00370141 , version 1 (23-03-2009)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00370141 , version 1

Citer

Antoine Gusdorf. Molecular emission in regions of star formation. Astrophysics [astro-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2008. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00370141⟩
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