Physical and statistical modeling of interstellar grains : Preparation for the JWST - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Physical and statistical modeling of interstellar grains : Preparation for the JWST

Modélisation physique et statistique des grains interstellaires : Préparation au JWST

Dangning Hu
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1359042
  • IdRef : 276117638

Résumé

The knowledge of the interstellar dust grain properties (abundance, chemical composition, size distribution, etc.) is crucial to understand numerous physical processes at play in galaxies. The mid-infrared (mid-IR) domain contains most of the solid-state resonance features of interstellar grains, including the unidentified infrared bands (UIBs). They are considered to arise from a statistical mixing of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) of different sizes and structures. Their properties are a valuable source of information on the physical conditions (metallicity, radiation field intensity, etc.) of the interstellar medium (ISM).The ISO/CAM instrument onboard the ISO satellite (1995-1998) was the first observatory to cover the full spectral range of the UIBs, from 3.3 up to 17 microns. The resolution and sensitivity of the observations were largely improved with the Infrared Spectrograph (IRS) onboard the Spitzer Space Telescope (2003-2009; 5.2-38 microns), however, the 3.3 and 3.4 micron aliphatic bands were not covered. These two features were observed with the Infrared Camera (IRC, 2.5-5 microns slit-spectrograph) onboard the AKARI satellite (2005-2007). Thus the two latest instruments allow us to study these UIBs in a complete way.To that purpose, I combined the spectral maps observed with both instruments and assessed their inter-calibration. I then performed spectral fitting to extract emission bands. The new spectral decomposition code I developed adopts the hierarchical Bayesian (HB) approach in order to physically model heterogeneous samples of nearby galaxies and Galactic regions and to statistically model the distribution of parameters, simultaneously. It allows us to remove several degeneracies and extract the maximum information from the data, taking into account the various sources of uncertainties, without overinterpreting the observations. I emphasized the challenges I have encountered combining these heterogeneous sets of archival observations (missing data, inter-calibration biases, incomplete beam coverage, etc.) and how I addressed them.With the consistently decomposed mid-IR spectra, I identified the rich emission features in this range including not only the major bands at 3.3, 6.2, 7.7, 8.6, 11.2, 12.7, and 17 microns, but also the weaker bands. I searched correlations of the intensities of these bands, the ionic lines, and the continuum emissions. I applied stochastic heating models to link the variations of the grain properties with physical conditions they suffer and discussed the band ratios as a diagnostic of galaxy properties. I performed a complete analysis for one of the galaxies in our sample M 82. This work served as the pilot project of a systematic study of small carbon grain properties with a large sample of nearby galaxies observed by both Spitzer and AKARI.This thesis project is meant as a preparation for the James Webb Space Telescope (JWST ; 2021- ), which will observe a large number of spatially resolved galaxies with unprecedented angular resolution and sensitivity. We will apply our code to analyze the dust grain properties in order to constrain the galaxy evolution in a more distant universe after the launch of the JWST.
La compréhension des propriétés des grains de poussière interstellaire (abondance, composition chimique, distribution de taille, etc.) est cruciale pour comprendre de nombreux processus physiques en jeu dans les galaxies. Le domaine de l’infrarouge moyen (mid-IR) contient le plus grand nombre de bandes de résonance de ces solides, y compris les bandes infrarouges non identifiées (UIBs). Ces bandes proviennent d’un mélange statistique d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAHs) de tailles et de structures différentes. Leurs propriétés sont une source précieuse d’informations sur les conditions physiques (métallicité, intensité du champ de rayonnement, etc.) du milieu interstellaire (ISM).L’instrument ISO/CAM à bord du satellite ISO (1995-1998) a été le premier observatoire à couvrir la gamme spectrale complète des UIBs, de 3,3 à 17 microns. La résolution et la sensibilité des observations ont été largement améliorées avec le spectrographe IRS à bord du Télescope Spatial Spitzer (2003-2009; 5.2-38 microns), cependant les bandes aromatiques et aliphatique à 3.3 et 3.4 microns n’étaient pas couvertes. Ces deux caractéristiques ont été observées avec le spectrographe IRC (2.5-5 microns) à bord du satellite AKARI (2005-2007). Ainsi, les deux derniers instruments nous permettent d’étudier ces UIBs de manière complète.Pour ce faire, j’ai combiné les cartes spectrales observées avec les deux instruments et appliqué leur inter-calibration. J’ai ensuite effectué une décomposition spectrale pour extraire les bandes d’émission. Le nouveau code de décomposition spectrale que j’ai développé adopte l’approche bayésienne hiérarchique (HB) afin de modéliser physiquement des échantillons hétérogènes de galaxies proches et de régions Galactiques et de modéliser statistiquement la distribution des paramètres, simultanément. Cela nous permet de lever plusieurs dégénérescences et d’extraire le maximum d’informations des données, en tenant compte des différentes sources d’incertitudes, sans sur-interpréter les observations. J’ai souligné les défis que j’ai rencontrés en combinant ces ensembles hétérogènes d’observations d’archives (données manquantes, biais d’inter-calibration, couverture spatiale incomplète, etc.Avec les spectres mid-IR décomposés de manière cohérente, j’ai identifié les riches bandes d’émission dans cette gamme, y compris non seulement les bandes principales à 3,3, 6,2, 7,7, 8,6, 11,2, 12,7 et 17 microns, mais aussi les bandes plus faibles. J’ai cherché des corrélations entre les intensités de ces bandes, les raies ioniques et les émissions du continuum. J’ai appliqué des modèles de chauffage stochastique pour relier les variations des propriétés des grains aux conditions physiques qu’ils subissent et j’ai examiné les rapports de bandes comme un diagnostic des propriétés des galaxies. J’ai effectué une analyse complète pour l’une des galaxies dans notre échantillon M 82. Ce travail a servi de projet pilote pour une étude systématique des propriétés des petits grains de carbone avec un large échantillon de galaxies proches observées par les télescopes Spitzer et AKARI.Ce projet de thèse se veut une préparation au Télescope Spatial James Webb (JWST ; 2021- ), qui observera un grand nombre de galaxies résolues avec une résolution angulaire et une sensibilité sans précédent. Nous appliquerons notre code pour analyser les propriétés des grains de poussière afin de contraindre l’évolution des galaxies dans les univers plus lointains après le lancement du JWST.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04486033 , version 1 (01-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04486033 , version 1

Citer

Dangning Hu. Physical and statistical modeling of interstellar grains : Preparation for the JWST. Astrophysics [astro-ph]. Université Paris Cité, 2022. English. ⟨NNT : 2022UNIP7299⟩. ⟨tel-04486033⟩
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