Stochastic processes in the interstellar medium
Processus stochastiques dans le milieu interstellaire
Résumé
In this thesis, I have tackled two seemingly unrelated problems in the modeling of the neutral interstellar medium (ISM).
The first is the description of H2 formation on interstellar dust grains under realistic conditions. The precise determination of the H2 formation rate and abundance is crucial, as it controls most of the subsequent development of the chemical complexity in the ISM, as well as part of its physics. The temperature of small grains (less than 10 nm) fluctuates constantly as those grains are sensitive to the energy of individual UV photons, and the surface mechanisms of H2 formation, which are sensitive to the grain temperature, are kept out of equilibrium by the fluctuations. I have developed an exact resolution formalism for the statistical equilibrium of this system, and implemented its numerical resolution. Among other results, taking the fluctuations into account leads to large differences for the Langmuir-Hinshelwood mechanism, whose efficiency is increased in atomic gas and decreased inside molecular gas.
The second problem is related to the ubiquitous presence of molecules such as CH+, whose formation is highly endothermic, in the diffuse ISM where the observed gas temperature (less than 100 K) is insufficient to trigger their formation. It has been proposed that the intermittent dissipation of turbulence could inject the necessary energy, creating hot spots, which could also explain the observed rotational excitation of H2 in such regions. At small scales, the gas is thus perturbed by strong fluctuations of the energy injection rate. I propose a model for the Lagrangian evolution of the local physico-chemical state of the gas based on stochastic processes, and apply it to derive the distribution of the gas temperature in the diffuse atomic medium, and the average excitation of H2 in the diffuse molecular gas.
Both problems are thus similar and can be described in a more abstract way as systems whose state is perturbed by strong fluctuations of their environment. In order to derive the statistical equilibrium of the system in our two cases, similar methods are used based on the framework of (markovian) stochastic processes. The results obtained here demonstrate the usefulness of this approach, and possible developments for other applications are discussed.
Finally, I also present the modeling of the PDR NGC7023 Northwest with the Meudon PDR Code in comparison to Hershel observations, showing the excellent capacity of the Meudon PDR Code to reproduce the observables in dense and intense PDRs.
Mon travail de thèse a porté sur la modélisation du milieu interstellaire (MIS) froid, et plus particulièrement sur deux problèmes qui peuvent sembler sans lien au premier abord.
Le premier concerne la formation de H2 sur les grains de poussière interstellaires. Il est en effet crucial de comprendre précisément le taux de formation de H2 et son abondance, dont dépend tout développement d'une chimie plus complexe, et qui contrôle également une partie de la physique du gaz interstellaire. Mais les petits grains (moins de 10 nm) sont sensibles à l'énergie des photons UV individuels et leur température fluctue donc constamment. Les processus de surface qui forment H2, étant sensibles à la température de la surface, sont alors maintenus hors d'équilibre par ces fluctuations, un effet très peu étudié jusqu'à présent. J'ai donc développé un formalisme exact de résolution de l'équilibre statistique de ce système, et implémenté sa résolution numérique. Entre autres résultats, la prise en compte des fluctuations cause d'importantes différences pour le mécanisme de Langmuir-Hinshelwood, avec une efficacité fortement augmentée dans le gaz atomique, et réduite à l'intérieur des nuages moléculaires.
Le second problème est lié à l'omniprésence observée de molécules telles que CH+, dont la formation est très endothermique, dans le MIS diffus où les températures observées (moins de 100 K) sont insuffisantes pour permettre leur formation. Il a été proposé que l'énergie nécessaire à leur formation puisse provenir de la dissipation intermittente de la turbulence, créant des points chauds dans le gaz qui pourraient aussi expliquer l'excitation rotationnelle de H2 observée dans ces régions. Aux plus petites échelles de la cascade turbulente, le gaz est donc soumis à une injection d'énergie dont le taux fluctue fortement. Je propose un modèle de l'évolution lagrangienne de l'état physico-chimique du gaz basé sur des processus aléatoires, et montre son application au calcul de la distribution de température du gaz dans le milieu diffus atomique, ainsi qu'au calcul de l'excitation moyenne de H2 dans le milieu diffus moléculaire.
Ces deux problèmes sont donc similaires à un niveau plus abstrait en ce qu'ils portent sur des systèmes dont l'état est perturbé par de grandes fluctuations de leur environnement. Afin de calculer l'équilibre statistique dans nos deux cas, des méthodes similaires sont utilisées, basées sur le formalisme des processus aléatoires (markoviens). Les résultats obtenus ici démontrent l'intérêt de la méthode, et des développements en vue d'autres applications sont discutés.
Enfin, je présente également la modélisation à l'aide du code PDR de Meudon de la PDR NGC7023 Nord-Ouest. La comparaison à des observations Herschel montre l'excellente capacité du code PDR à reproduire les observables dans des PDR denses et intenses.
