Impact de la fragmentation des nuages moléculaires sur la genèse des systèmes stellaires - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Impact of the fragmentation of molecular clouds on the genesis of stellar systems.

Impact de la fragmentation des nuages moléculaires sur la genèse des systèmes stellaires

Résumé

Molecular clouds are the privileged regions for the formation of stars, which groups together under the form of multiple systems (Duchêne & Kraus 2013) and can cluster within small groups (Lada & Lada 2003, Joncour et al. 2018) whose spatial extension can vary from a few AU to several thousands of AU. Although the reality of these young stellar systems has been established, the physical origin of their multiplicity remains open to question. Dynamic evolutionary phenomena, such as ejection or capture of other stars by these systems during close encounters, may influence their multiplicity after their formation. However, the presence of hierarchical stellar systems as well as the young age of stars within small groups suggest that these systems could be assembled during the star formation phase, through the fragmentation of the cloud on a larger scale. The latter possibility is explored in order to determine the stellar systems properties expected from such a fragmentation process. We propose a multi-scale fragmentation model in which series of probabilistic events describe fragmentation phenomena cascading along spatial scales. This model aims to reconcile the discrete nature of fragmentation, which results in the formation of countable stars, with the continuous, multiscale structure of molecular clouds from which stars inherit their mass. This model also introduces two local and continuous observables: the fragmentation rate, which sets the multiplicity of fragments produced and the net mass injection rate given to these fragments, which characterises the mass efficiency with which the fragments are formed. A third parameter is also introduced, defined as the mass ratio between the fragments, to characterise more specifically the formation of discrete, countable fragments. This model is used to define three fragmentation regimes depending on the quantity of fragments that can be produced by a collapsing system, namely the hierarchical, monolithic and dissipative regimes. This model has been implemented within a gravo-turbulent fragmentation theory (Padoan & Nordlund 2002, Hennebelle & Chabrier 2008) to formalise the circumstances under which these different regimes occurs as a function of the physical conditions of the environment. This work also evaluates a characteristic scale where further fragmentation is prevented, around a few hundred of AU. To assess the possibility of extracting, measuring and constraining the fragmentation rate, this model is tested with data from NGC 2264 molecular cloud observed by the space telescopes Herschel (Motte et al. 2010) and Spitzer (Rapson et al. 2014). The multi-scale description of the cloud is carried out using a connected network with which we evaluate a fragmentation rate that is consistent with the prediction made within the gravo-turbulent theory, while considering the discretisation and projection biases. The last study performed using this model consists of assessing the impact of fragmentation on the stellar mass function (IMF), taking into account the coupling between the multiplicity that partitions the mass of the cloud into several pieces and the formation efficiency that reduces the total mass budget usable. In particular, this thesis assesses the credibility that the core mass function (CMF) of the W43 - MM2 / MM3 massive region (Pouteau et al. 2022), characterised by an excess of massive objects, could in the future be reconciled with a Salpeter-type IMF, which does not feature such an excess of massive stars. As a precursor to the dynamical effects that alter the multiplicity of existing systems, this model aims to evaluate the cohesion between the multiplicity of the stellar systems formed through fragmentation and the mass of the stars they are composed of, at the onset of their formation.
Les nuages moléculaires sont les régions privilégiées pour la formation des étoiles, lesquelles se regroupent sous forme de systèmes multiples (Duchêne & Kraus 2013), voire s’amassent au sein de petits groupes (Lada & Lada 2003, Joncour et al. 2018) dont l’extension spatiale peut varier de quelques UA à plusieurs milliers d’UA. Bien que la réalité de ces systèmes stellaires jeunes soit établie, l’origine physique de leur multiplicité n’en reste pas moins questionnée encore aujourd’hui. Des phénomènes d’évolution dynamique, telles l’éjection ou la capture d’étoiles par ces systèmes lors de rencontres proches permettent d’altérer leur multiplicité après leur formation. Toutefois, la présence de systèmes stellaires hiérarchiques et la jeunesse avérée de petits regroupements d’étoiles au sein de nuages moléculaires laissent à penser que ces systèmes pourraient être assemblés dès la phase de formation des étoiles, par fragmentation du nuage à plus grande échelle. Dans ce travail de thèse, cette dernière éventualité est explorée pour déterminer les propriétés attendues d’un système qui serait originaire d’un tel processus de fragmentation. Nous proposons ainsi un modèle de fragmentation multi-échelle dans lequel une série d’évènements probabilistes décrivent des phénomènes de fragmentation en cascade le long des échelles spatiales. En outre, ce modèle raccorde la nature discrète de la fragmentation dont la résultante est la formation d'étoiles dénombrables, avec la structure continue et multi-échelle des nuages moléculaires à partir desquels les étoiles héritent de leur masse. Ce modèle introduit deux observables locales et continues : le taux de fragmentation qui gouverne la multiplicité des fragments produits et le taux effectif d’injection de masse accordée aux fragments qui caractérise leur rendement massique de formation. Un troisième paramètre, introduit comme le rapport de masse entre les fragments produits, caractérise plus spécifiquement la formation de fragments dénombrables. Ce modèle est utilisé pour définir et délimiter trois régimes de fragmentation en fonction de la quantité de fragments productibles par un système en effondrement : les régimes hiérarchique, monolithique et dissipatif. Implémenter ce modèle dans le cadre de la théorie de la fragmentation gravo-turbulente (Padoan & Nordlund 2002, Hennebelle & Chabrier 2008) a permis de formaliser les circonstances d’accès à ces différents régimes en fonction des conditions physiques du milieu et à évaluer une échelle caractéristique d’arrêt de la fragmentation autour de quelques centaines d’UA. Pour évaluer la possibilité d’extraire, de mesurer et de contraindre le taux de fragmentation, ce modèle est confronté aux données du nuage moléculaire NGC 2264 observé par les télescopes spatiaux Herschel (Motte et al. 2010) et Spitzer (Rapson et al. 2014). La description multi-échelle du nuage est opérée à l’aide d’une représentation en réseaux connectés qui a permis d’évaluer, en tenant compte des biais de discrétisation et de projection, un taux de fragmentation compatible avec la prédiction effectuée dans le cadre de la théorie gravo-turbulente. La dernière étude réalisée à l’aide de ce modèle consiste à évaluer l’impact de la fragmentation sur la fonction de masse des étoiles (IMF), en tenant compte du couplage existant entre une multiplicité qui partitionne la masse du nuage en plusieurs morceaux et une efficacité de formation qui réduit le budget total de masse utilisée. En particulier, cette thèse juge de la plausibilité que la fonction de masse des cœurs (CMF) de la région de formation massive W43 – MM2&MM3 (Pouteau et al. 2022) caractérisée par un excès d’objets massifs, puisse dans le futur se rattacher à une IMF de type Salpeter, ne contenant pas un tel excès d’étoiles massives. Ce modèle a ainsi pour ambition d’évaluer en cohésion la multiplicité des systèmes formés avec la masse des étoiles qui les composent au moment de leur formation dans le nuage.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04512730 , version 1 (20-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04512730 , version 1

Citer

Benjamin Thomasson. Impact de la fragmentation des nuages moléculaires sur la genèse des systèmes stellaires. Physique [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. Français. ⟨NNT : 2023GRALY062⟩. ⟨tel-04512730⟩
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