Tesis sobre el tema "Star formation, astrochemistry"

This thesis addresses the problem of complex molecule formation in the prestellar and hot core stages of interstellar star formation. We have enhanced a modified rates chemical code to include calculations of physisorption and chemisorption on interstellar grains consisting of amorphous carbon, graphite PAH particles, para-site PAH particles, and silicates as well as calculations of non-thermal desorption via cosmic ray heating, H2 desorption, and cosmic ray-induced photodesorption. We incorporate a time-dependent, warm-up parameter in order to self-consistently treat the chemistry of our dark cloud and hot core models. We find that different dark cloud species achieve better observational agreement for different desorption conditions and that molecules which are inefficiently destroyed in the dark cloud tend to demonstrate an enhanced presence in the early chemistry of the hot core. During the warm up, we observe temporary enhancement of a number of species on the grain surface and • suggest this is due to the physical cycling of molecular material between the gas and solid states as well as the presence of fast barrier-possessing reactions which occur between particles on the grain surface. The presence of a time-dependent warm up also allows a transient period of N-rich chemistry to occur in the gas phase and indicates a number of possibilities which may ::allow the simultaneous occurrence of cyanide and complex organic species in star-forming molecular clouds. We argue that for high NH3 abundances, alkyl-cation transfer reactions may proceed sufficiently rapidly that complex organic species and nitriles can coexist in both compact and ultra-compact hot molecular cores.

Dans cette thèse, nous présentons une étude observationnelle et multifréquence des propriétés d'IRAS16293-2422 (I16293), un système d'étoiles multiples de faible masse et de type solaire bien étudié, qui se trouve dans le nuage sombre L1689N dans le complexe d'Ophiuchus. I16293 est la source prototype pour les études d'astrochimie en raison de sa richesse en raies moléculaires, elle constitue un laboratoire idéal pour étudier non seulement la formation de systèmes stellaires, mais également la chimie pendant les premiers stades de la formation des étoiles. Dans ce travail, nous mettrons particulièrement l'accent sur les molécules azotée, car ces espèces sont des outils puissants pour mesurer les propriétés chimiques, cinématiques et dynamiques des régions de formation d'étoiles dans un large éventail de conditions physiques. La première partie est dédié à l'analyse des composants individuels d'I16293 à partir d'observations dans le continuum aux longueurs d'onde centimétriques et millimétriques. Nous avons mesuré l'émission maser à 22 GHz obtenues avec l'interféromètre de très longue ligne de base (VLBA) et obtenu une estimation plus précise de la distance d'I16293, 141(+30,-21)pc. À partir d'observations à haute résolution angulaire avec le VLA et ALMA, nous avons suivi l'astrométrie des objets individuels du système pendant près de 30 ans. Nous présentons un modèle complet de transfert radiatif de la structure de cette source. Les profils de densité et de température nécessaires pour expliquer les propriétés de la source B sont très similaires à ceux attendus pour un premier coeur hydrostatique. Ce fait, combiné à l'absence d'émission centimétrique libre-libre, pourrait indiquer que la source B vient tout juste d'atteindre la phase protostellaire. La seconde partie est consacrée à une étude de la chimie d'I16293 à partir d'observations des molécules azotées dans une large gamme de fréquences avec les radiotélescopes IRAM-30m, APEX, JCMT et l'instrument HIFI à bord de l'observatoire spatial Herschel. Nous avons extrait les transitions de rotation de l'acide isocyanurique (HNCO) à partir de ces données et utilisé un modèle de transfert radiatif hors de l'équilibre thermodynamique local (ETL) pour reproduire les profils observés des raies. À partir de ce modèle, nous concluons I16293 est formée de trois régions d'émission: un composant dense, compact et chaud, un composant chaud et étendu associé à la partie interne de l'enveloppe et une couche plus étendue et froide associée à la partie la plus extérieure de l'enveloppe. L'émission produite par chacune de ces régions interagit avec les autres, en conséquence, notre analyse contraint les propriétés des différentes régions, et établit également leurs positions relatives le long de la ligne de visée. Nous avons calculé le profil d'abondance de HNCO pour l'enveloppe d'I16293 avec le code chimique Nautilus, qui est tout à fait compatible avec les abondances déterminées par notre modèle de transfert radiatif. D'autre part, les profils de raie de cyanure (CN) dans I16293 sont beaucoup plus complexes que les profils de HNCO, car ils présentent une absorption profonde. Nous détectons les transitions de rotation du CN correspondant aux niveaux J = 1-0 à J = 5-4, nous avons utilisé ces raies pour tester la distribution de cette molécule à différentes échelles spatiales. Nous avons utilisé un modèle LTE dans CASSIS et défini un modèle distinct pour chaque transition. Afin de reproduire correctement les profils de raie, il est nécessaire de prendre en compte un composant plus étendu que l'enveloppe d'I16293 définie précédemment dans la littérature. Finalement, nous dérivons les rapports d'abondance entre CN et ses isotopes 13CN et C15N. Dans leur ensemble, les données présentées dans cette thèse nous ont permis de contraindre la structure d'I16293 depuis les échelles qui correspondent à ses proto-étoiles individuelles (~10 AU) jusqu'à l'échelle de son enveloppe étendue (≥ 10,000 AU)
In this thesis we present a multi-frequency observational study of the properties of IRAS 16293-2422 (I16293), a very-well studied low-mass solar-type multiple stellar system located within the Ophiuchus complex. Because I16293 is the prototype source for astrochemistry due to its wealth of molecular lines, it provides a suitable laboratory to study not only the physics of clustered star-formation but also the chemistry in early stages of this process. In this thesis, we will place special emphasis on nitrogen-bearing molecules present in I16293since these species are known to be powerful tools to derive chemical, kinematic and dynamic properties of star-forming regions over a wide range of conditions. The first part of this work is based on the analysis of the individual components of I16293 from interferometric centimeter -and millimeter- wavelength continuum observations. Since the correct interpretation of the observations and their corresponding modelling strongly depend on the accurate measurement of its distance, we have measured the parallax to its H2O maser emission at 22.2 GHz based on archival Very Large Baseline Array (VLBA) observations, obtaining a precise estimation of the distance of 141(+30,-21)pc. From high angular resolution observations with the Very Large Array (VLA) and the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), we followed the astrometry of the individual objects in the system for almost 30 years. We have seen that the properties of source B are remarkable because its spectrum indicates that its emission is dominated by thermal dust radiation. We present a full radiative transfer modelling of the structure of this source. The density and temperature profiles needed to explain the observational properties of source B resemble those expected for first hydrostatic cores. This fact, combined with the lack of free- free centimeter emission, might indicate that source B is just entering the protostellar phase. In the second part of the thesis we focus on the chemistry of I16293 based on single-dish observations of nitrogen-bearing molecules obtained with the radiotelescopes IRAM-30m, APEX, JCMT and the HIFI instrument on-board the Herschel Space Observatory over a wide frequency range from 80 GHz to 1 THz. We have extracted the rotational transitions of isocyanic acid (HNCO) from the observations and used a radiative transfer model out of Local Thermodynamical Equilibrium (non-LTE) to reproduce the observed line profiles. We conclude that I16293 can be modelled considering three regions: a dense, compact and warm component related with the hot corino, a warm and extended component associated with the innermost part of the envelope and a more extended and cold layer associated with the outermost part of the envelope. It is important to emphasize that the emission produced by these regions interacts one with another. As a consequence, our analysis not only constraints the properties of the different regions, but also establishes their relative positions along the line of sight. An HNCO abundance profile for the envelope of I16293 computed with the chemical code Nautilus shows a good agreement with the abundances derived from our radiative transfer model. On the other hand, the lines of cyanide (CN) have much more complex profiles since they show hyperfine structure and present deep absorptions. Indeed, since we detect the CN rotational transitions from J = 1 - 0 to J = 5 - 4 level, we have used an LTE model in CASSIS and defined a separate model for each transition. We noted that an extended emission larger than the envelope of I16293 is needed to correctly model the line profiles. We also derived the abundance ratio between CN and its isotopes 13CN and C15N.Taken together, the results presented here enabled us to constrain the structure of IRAS 16293- 2422 from the scale of its individual protostars (~ 10 AU) up to the scale of its extended envelope (~ 10,000 AU)

Les conditions menant à la formation des étoiles massives sont toujours étudiées mais un scénario de leur évolution a été avancé : lors de l’effondrement d’un coeur froid pré-stellaire sous l’effet de la gravité, le milieu se réchauffe et entre ainsi dans la phase de coeur chaud moléculaire (CCM). La proto-étoile centrale en formation accrète de la matière, augmentant sa masse et sa luminosité, et finalement devient suffisamment évoluée pour émettre des photons UV qui irradient l’entourage de l’étoile formant ainsi une région HII hypercompact (HC), puis une région HII ultracompact (UC). À ce stade, une région de photo-dissociation (PDR) se forme entre la région HII et le coeur moléculaire. La composition chimique du milieu nous permet de connaître les processus physiques ayant lieu pendant les différentes phases de la formation des étoiles. De plus, la chimie nous permet également de déterminer le stade de l’évolution d’un objet astrophysique par l’utilisation de codes chimiques incluant l’évolution temporelle de la température et du champ de rayonnement. Jusqu’à présent, peu d’études ont examiné les PDRs internes et cela a été uniquement en présence d’une cavité formée par un écoulement (appelé ici outflow) de matière depuis les pôles de la proto-étoile vers le milieu environnant. La connaissance de ces régions uniques autour des régions HII hypercompact et ultracompact restent donc à approfondir. Ma thèse de doctorat se concentre sur l’évolution spatio-temporelle de la chimie dans les régions HII hypercompact et ultracompact avec des PDRs internes aussi bien que dans les coeurs chauds moléculaires. Le but de cette étude est, premièrement, de comprendre l’impact et les effets sur la chimie du champ de rayonnement, en général très fort dans ces régions. Deuxièmement, le but est d’étudier l’émission de diverses espèces spécifiques aux régions HII HC/UC et de comparer cette émission à celle des CCMs, où le champ de rayonnement UV n’a pas d’influence car il est immédiatement atténué par le milieu. En fin de compte nous voulons déterminer l’âge d’une région donnée en utilisant la chimie associée au transfert radiatif. Pour étudier ces stades transitoires de la formation des étoiles massives, nous utilisons le code astrochimique Saptarsy optimisé et amélioré pendant cette thèse de doctorat. Saptarsy est un code gaz-grain calculant l’évolution spatio-temporelle d’abondances relatives. Il est basé sur l’approche des équations des taux de réactions et utilise le réseau chimique OSU (Université de l’État de l’Ohio) mis à jour. De plus, Saptarsy est couplé au code de transfert radiatif RADMC-3D via un programme, basé sur le langage Python, nommé Pandora. Ceci est fait afin d’obtenir des spectres synthétiques directement comparables avec des observations en utilisant l’évolution spatio-temporelle détaillée des abondances chimiques.En plus de la comparaison entre un modèle de région HII HC/UC avec un modèle de CCM, nous obtenons des modèles pour des tailles différentes de régions HII, pour plusieurs densités au front d’ionisation et pour deux profils de densité. Nous étudions les abondances qui dépendent de manière critique des conditions initiales et nous explorons aussi l’importance de l’émission venant de l’enveloppe pour diverses espèces chimiques. Nous constatons que parmi la douzaine d’espèces que nous avons étudiées seulement quatre d’entre elles sont spécifiques à la phase de région HII ou à la phase de coeur chaud. Ces espèces sont C+ et O pour la première phase et CH3OH et H218O pour la deuxième phase. Cependant, un plus grand nombre d’espèces pourrait être utilisées pour étudier et identifier ces phases
Conditions leading to the formation of high-mass stars are still under investigation but an evolutionary scenario has been proposed: As a cold pre-stellar core collapses under gravitational force, the medium warms up and enters the hot molecular core (HMC) phase. The forming central proto-star accretes materials, increasing its mass and luminosity and eventually it becomes sufficiently evolved to emit UV photons which irradiate the surrounding environment forming a hyper compact (HC) and then a ultracompact (UC) HII region. At this stage, a very dense and very thin internal photon-dominated region (PDR) forms between the HII region and the molecular core.Information on the chemistry allows to trace the physical processes occurring in these different phases of star formation. Therefore, chemistry also allows the determination of the evolutionary stage of astrophysical objects through the use of chemical models including the time evolution of the temperature and radiation field. So far, few studies have investigated internal PDRs and only in the presence of outflows cavities. Thus, these unique regions around HC/UCHII regions remain to be examined thoroughly.My PhD thesis focuses on the spatio-temporal chemical evolution in HC/UC HII regions with internal PDRs as well as in HMCs. The purpose of this study is first to understand the impact and effects of the radiation field, usually very strong in these regions, on the chemistry. Secondly, the goal is to study the emission of various tracers of HC/UCHII regions and compare it with HMCs models, where the UV radiation field does not impact the region as it is immediately attenuated by the medium. Ultimately we want to determine the age of a given region using chemistry in combination with radiative transfer. To investigate these transient phases of massive star formation, we use the astrochemical code Saptarsy optimized and improved during this PhD thesis. Saptarsy is a gas-grain code computing the spatio-temporal evolution of relative abundances. It is based on the rate equation approach and uses an updated Ohio State University (OSU) chemical network. Moreover, Saptarsy works along with the radiative transfer code RADMC-3D via a Python based program named Pandora. This is done in order to obtain synthetic spectra directly comparable to observations using the detailed spatio-temporal evolution of species abundances.In addition to comparing a HC/UCHII region to a HMC model, we obtain models for different sizes of HII regions, for various densities at the ionization front and for two different density profiles. We investigate the critical dependance of the abundances on the initial conditions and we also explore the importance of the emission coming from the envelope for various species. We find that among the dozen of molecules and atoms we have studied only four of them trace the UC/HCHII region phase or the HMC phase. They are C+ and O for the first and CH3OH and H218O for the second phase. However, more species could be studied to probe and identify these phases

Le but de la présente thèse est l'étude de la compléxité moléculaire dans les régions de formation stellaires. Cette thèse s'axe sur deux classes de molécule aux caractéristiques prébiotiques : les molécules organiques complexes et les cyanopolyynes.Dans ce contexte, j'ai analysé des données d'un seul échantillon de relevés spec- traux en exploitant des codes de transfert radiatif à l'équilibre thermodynamique local (LTE) et/ou non-LTE pour deux sources : une proto-étoile de type solaire dans un environnement calme (IRAS 16293-2422) et un proto-ama constitué de proto-étoile de type solaire (OMC2-FIR4).L'objectif est de trouver des similar- ités et des différences entre ces deux cas.J'ai utilisé des données issu de deux relevés spectraux : TIMASSS (The IRAS16293-2422 Millimeter And Submilimeter Spectral Survey) réalisés en 2011 (Caux et al. 2011), et ASAI(Astrochemical Surveys At IRAM) réalisés pen- dant la période 2013-2015 (eg Lopez-Sepulcre et al.2015). J'ai extrais les lignes (identification et intensité intégrée) en utilisant le paquet disponible publique- ment : CASSIS (Centre d'Analyse Scientifique de Spectres Infrarouges et Sub- millimetrique). Pour finir, j'ai utilisé le paquet GRAPES (GRenoble Analysis of Protostellar Envelope Spectral) afin de modéliser la distribution spectrale énergétique de ligne (SLED) des molécules détectées, mais aussi afin d'estimer leurs abondances à travers l'envelope de IRAS16293 et du coeur chaud OMC2- FIR4.Les principaux résultats de la thèse sont :1. Le premier recensement complet des molecules organiques complexes (COMs) dans IRAS162932. La première détéction de COMs dans l'enveloppe froide d'une proto-étoile de type solaire (IRAS16293-2422) supportant l'idée qu'un méchanisme de formation, relativement efficace pour les COMs détectées, doit exister en phase gazeuse froide.3. La découverte d'une fine corrélation entre le diméthyle-éther (DME) et le méthyle-formate (MF) suggère une relation mère fille entre ces deux espèces.4. La detection de formamide, espèce avec un très fort potentiel prébiotique, dans plusieurs protoétoiles incluant IRAS16293-2422 et OMC2-FIR4.5. Le recensement complet des cyanopolyynes dans IRAS16293 et OMC2- FIR4 avec la détection de HC3N, HC5N, DC3N et pour OMC2-FIR4: le C13 isotopologue du HC3N cyanopolyynes.Ces résultats sont le sujet principal de deux publications (Jaber et al.2014, ApJ; Lopez-Sepulcre, Jaber et al.2015,MNRAS), un article accepté (Jaber et al., A & A) et un article à soumettre (Jaber et al. A & A)
The present PhD thesis goal is the study of the molecular complexity in solar type star forming regions. It specifically focuses on two classes of molecules with a pre-biotic value, the complex organic molecules and the cyanopolyynes.At this scope, I analyzed data from single-dish spectral surveys by means of non-LTE or/and non-LTE radiative transfer codes in two sources, a solar type protostar in an isolated and quiet environment (IRAS16293-2422) and a proto-cluster of solar type protostars (OMC2-FIR4). The goal is to find similarities and differences between these two cases.I used data from two spectra surveys: TIMASSS (The IRAS16293-2422 Millimeter And Submillimeter Spectral Survey), which has been carried out in 2011 (Caux et al. 2011), and ASAI (Astrochemical Surveys At IRAM), which has been carried out in 2013-2015 (e.g. Lopez-Sepulcre et al. 2015).I extracted the lines (identification and integrated intensity) by means of the publicly available package CASSIS (Centre dAnalyse Scientifique de Spectres Infrarouges et Submillimtriques).Finally, I used the package GRAPES (GRenoble Analysis of Protostellar Envelope Spectra) to model the Spectral Line Energy Distribution (SLED) of the detected molecules, and to estimate their abundance across the envelope and hot corino of IRAS16293-2422 and OMC2-FIR4, respectively.The major results of the thesis are:1) The first full census of complex organic molecules (COMs) in IRAS16293-2422;2) The first detection of COMs in the cold envelope of a solar type protostar (IRAS16293-2422), supporting the idea that a relatively efficient formation mechanism for the detected COMs must exist in the cold gas phase;3) The discovery of a tight correlation between the dimethyl ether (DME) and methyl format (MF), suggesting a mother-daughter relationship;4) The detection of formamide, a species with a very high pre-biotic value, in several protostars, included IRAS16293-2422 and OMC2-FIR4;5) The full census of the cyanopolyynes in IRAS16293-2422 and OMC2-FIR4, with the detection of HC3N and HC5N, DC3N and, for OMC2-FIR4, the 13C isotopologue of HC3N cyanopolyynes.These results are the focus of two published articles (Jaber et al. 2014, ApJ; Lopez-Sepulcre, Jaber et al. 2015, MNRAS), one accepted article (Jaber et al., A&A) and a final article to be submitted (Jaber et al., A&A)

Les études astrochimiques de la formation stellaire sont particulièrement importantes pour la compréhension de l'évolution de l'Univers, du milieu interstellaire diffus à la formation des systèmes stellaires. Les récentes avancées en matière de modélisation chimique permettent d'apporter de nouveaux résultats sur le processus de formation stellaire et les structures mises en jeu. L'objectif de ma thèse était donc d'apporter un regard neuf sur la chimie de la formation stellaire en utilisant les récentes avancées sur le modèle chimique Nautilus. J'ai pour cela étudié l'évolution de la chimie du soufre durant la formation stellaire pour tenter d'apporter de nouvelles réponses au problème de déplétion du soufre. J'ai d'abord effectué une révision du réseau chimique soufré et étudié son effet sur la modélisation du soufre dans les nuages denses. En comparant aux observations, j'ai montré que le modèle textsc{Nautilus} était capable de reproduire les abondances des espèces soufrées dans les nuages denses en utilisant comme abondance élémentaire de soufre son abondance cosmique. Ce résultat m'a permis d'apporter de nouveaux indices sur les reservoirs de soufre dans ces objets. Puis j'ai effectué une étude complète de la chimie du souffre dans les coeurs chauds en me concentrant sur les effets sur la chimie de la composition pre-effondrement. J'ai également étudié les conséquences des différentes simplifications couramment faites pour la modélisation des coeurs chauds. Mes résultats montrent que la composition pre-effondrement est un paramètre majeur de l'évolution chimique des coeurs chauds, fournissant de nouveaux indices pour expliquer la variété de compositions en espèces soufrées observée dans ces objets. De plus, ma recherche a mis en évidence la nécessité d'uniformiser les modèles de chimie utilisés pour les coeurs chauds. Enfin, j'ai développé une méthode efficace pour inverser les paramètres initiaux d'effondrement de nuages denses en me basant sur une base de données de modèles physico-chimiques d'effondrement, ainsi que sur l'observation d'enveloppes de protoétoiles de Classe 0. A partir d'un échantillon de 12 sources, j'ai pu en déduire des probabilités concernant les possibles paramètres initiaux d'effondrement de la formation d'étoiles de faible masse
Astrochemical studies of star formation are of particular interest because they provide a better understanding of how the chemical composition of the Universe has evolved, from the diffuse interstellar medium to the formation of stellar systems and the life they can shelter. Recent advances in chemical modeling, and particularly a better understanding of grains chemistry, now allow to bring new hints on the chemistry of the star formation process, as well as the structures it involves. In that context, the objective of my thesis was to give a new look at the chemistry of star formation using the recent enhancements of the Nautilus chemical model. To that aim, I focused on the sulphur chemistry throughout star formation, from its evolution in dark clouds to hot cores and corinos, attempting to tackle the sulphur depletion problem. I first carried out a review of the sulphur chemical network before studying its effects on the modeling of sulphur in dark clouds. By comparison with observations, I showed that the textsc{Nautilus} chemical model was the first able to reproduce the abundances of S-bearing species in dark clouds using as elemental abundance of sulphur its cosmic one. This result allowed me to bring new insights on the reservoirs of sulphur in dark clouds. I then conducted an extensive study of sulphur chemistry in hot cores and corinos, focusing on the effects of their pre-collapse compositions on the evolution of their chemistries. I also studied the consequences of the use of the common simplifications made on hot core models. My results show that the pre-collapse composition is a key parameter for the evolution of hot cores which could explain the variety of sulphur composition observed in such objects. Moreover, I highlighted the importance of standardizing the chemical modeling of hot cores in astrochemical studies. For my last study, I developed an efficient method for the derivation of the initial parameters of collapse of dark clouds via the use of a physico-chemical database of collapse models, and comparison with observations of Class 0 protostars. From this method, and based on a sample of 12 sources, I was able to derive probabilities on the possible initial parameters of collapse of low-mass star formation

Les étoiles de masse intermédiaire (2M⊙ ≤ M ≤ 10M⊙) sont parmi les sources dominantes du champ interstellaire FUV dans la Galaxie. Elles régulent les phases du milieu interstellaire et l’ensemble des processus de formation stellaire galactique. Alors que les protoétoiles de type solaire et massives ont été et continuent à faire l’objet de nombreuses études, la formation des étoiles intermédiaires a été relativement peu étudiée. Leur structure physique, composition chimique et leur richesse moléculaire sont un domaine à explorer.L’objectif de ma thèse est d’obtenir un recensement détaillé et aussi complète que possible des propriétés physico-chimiques d’une protoétoile isolée de masse intermédiaire. Notre choix s’est porté sur Cep E-mm (100 L⊙).J’ai pour cela complété un relevé spectral de l’émission moléculaire dans les bandes (sub)millimétriques entre 72 et 350 GHz avec le télescope de 30m de l’IRAM. La sensibilité des observations a permis d’identifier la présence de nombreuses molécules complexes organiques (COMs) dans l’enveloppe de la protoétoile, mais aussi, plusieurs espèces moléculaires inhabituelles dans le jet généré par la protoétoile. Des observations complémentaires avec le télescope de 30m ont permis de cartographier l’émission moléculaire à grande échelle (20’’ à 11’’ ; 15000 à 8000 UA). En parallèle, des cartes interférométriques de l’émission moléculaire entre 86 – 90 GHz et 216 – 220 GHz ont été obtenues avec l’interféromètre de l’IRAM (NOEMA) à 1.4’’ (1000 UA) de résolution angulaire. Ces observations m’ont permis d’obtenir une première description de la distribution de l’émission moléculaire au sein de l’enveloppe, des grandes échelles, dans les parties extérieures de l’enveloppe étendue, aux petites échelles dans la région d’un hot corino. Les études présentées ici ont suivi un travail méticuleux de réduction et d’analyse des données, single-dish et interférométriques. Plus précisément, j’ai identifié et séparé les contributions à l’émission détectée dans le lobe du télescope de 30m de l’IRAM des différentes régions physiques du cœur protostellaire. De ce fait, j’ai identifié et caractérisé quatre composantes physiques qui diffèrent par leurs propriétés spectroscopiques et leurs conditions d’excitation : l’enveloppe étendue, le hot corino, le flot bipolaire basse vitesse et le jet à haute vitesse. Enfin, l’anisotropie de la distribution de brillance du flot et du jet bipolaire ne peut pas être modélisée par l’approche ‘’classique’’ d’une source gaussienne. J’ai développé des outils spécifiques semi-analytiques pour calculer de manière approchée, et plus raisonnable, le couplage entre le lobe du télescope et la source
Intermediate-mass stars (2 M⊙ ≤ M ≤ 10 M⊙) are among the dominant sources of FUV interstellar field in the Galaxy. They regulate the phases of interstellar medium and the whole process of galactic star formation. While solar-type and massive protostars have been and continue to be the subject of many studies, the formation of intermediate stars has been relatively little studied. Their physical structure, chemical composition and molecular richness are still a subject to explore.The aim of my thesis is to obtain a detailed census, as complete as possible ,of the physical and chemical structure of an isolated intermediate-mass protostar: Cep E-mm (100 L⊙).I have completed a spectral survey of the molecular emission in the (sub)millimetre bands between 72 and 350 GHz with IRAM 30m telescope. The sensitivity of the observations made it possible to identify the presence of numerous complex organic molecules (COMs) in the protostar envelope, but also several unusual molecular species in the protostellar jet. Additionally, further observations with the IRAM 30m telescope made it possible to map the molecular emission at large scale (20’’ to 11’’; 15000 to 8000 AU). In parallel, interferometric maps of the molecular emission between 86 – 90 GHz and 216 – 220 GHz were obtained with NOEMA, the IRAM interferometer, at 1.4’’ (1000 AU) of angular resolution. These observations allowed me to obtain the distribution of molecular emission within the source, from large scales in the outer parts of the extended envelope, to the small scales in the hot corino region. The single-dish and interferometric observations were reduced and analysed in a meticulous manner. More precisely, I identified and separated the molecular emission contribution from the different physical regions as observed with the IRAM 30m telescope. I have identified and characterized fours physical components that differ in their spectroscopic properties and excitation conditions: the extended envelope, the hot corino, the bipolar outflow and the high-velocity jet. Finally, the anisotropy of the brightness distribution from the outflow system cannot be modelled by the “classical” Gaussian approach. I have developed specific tools to estimate, in a semi-analytical manner, the coupling between the telescope lobe and the source

La naissance des étoiles massives est aujourd’hui encore mal comprise. En particulier, les conditions initiales de leur formation restent largement inconnues. Pour éclairer cette question, nous avons réalisé un relevé spectral complet non biaisé avec le télescope 30 m de l’IRAM vers la protoétoile massive CygX-N63 (M ~ 58 M◦ et L~ 340 L◦). Nous avons mis en évidence une complexité moléculaire significative avec plus de 40 espèces. L’ion CF+ est observé pour la première fois dans une protoétoile. Une possible première détection de l’espèce prébiotique CH2NH dans une protoétoile est aussi proposée, ainsi qu’une première détection de DOCO+. Cette étude spectroscopique, accompagnée d’observations interférométriques avec le Plateau de Bure, permet de séparer la contribution des différentes régions : enveloppe froide, région tiède, région de type hot core et flot bipolaire. L’enveloppe est constituée d’une grande quantité de gaz froid peu évolué, offrant un potentiel important pour la compréhension des phases précoces de la formation stellaire massive et compatible avec un scénario d’effondrement monolithique. La modélisation chimique montre que la chimie de ce gaz est encore hors équilibre, malgré sa haute densité, et confirme la jeunesse de la protoétoile avec un âge chimique de seulement ~ 1000 ans. N63 est un précurseur de hot core plutôt qu’un hot corino massif. Il serait donc possible de distinguer, grâce à des diagnostics chimiques évolutifs, les précurseurs d’étoiles massives des protoétoiles de masse faible ou ntermédiaire
High-mass star formation is still poorly understood. In particular the initial conditions of their formation are unknown. To explore this question, a complete unbiased spectral survey was conducted with the IRAM 30 m telescope toward the massive protostar CygX-N63 (M~58 M◦ and L~ 340 L◦). A significant molecular complexity is found, with more than 40 species. The ion CF+ is observed for the first time in a protostar. A possible first detection of the prebiotic species CH2NH in a protostar and a first detection of DOCO+ are proposed. This spectroscopic study, along with Plateau de Bure interferometric observations, allows us to separate the contribution of different regions : cold envelope, lukewarm region, hot corelike region and outflow. The envelope contains large amounts of cold and young gas, which gives us the opportunity to better understand the early phases of massive star formation. The chemical modeling shows that the chemistry is still out of equilibrium, despite its high density, and confirms the youth of the protostar with a chemical age of ~ 1000 years. N63 is a hot core precursor rather than a massive hot corino. The use of chemical diagnostics of the evolution would then allow to distinguish massive star precursors from low-mass or intermediate-mass protostars

L’extraction du moment cinétique au sein des disques protostellaires est le processus clé qui détermine la masse finale accrétée par une étoile, ainsi que les conditions de formation de son cortège planétaire. Il a été proposé que les jets protostellaires pourraient jouer un rôle essentiel dans cette extraction, via un processus magnétohydrodynamique (MHD). L’objectif principal de ce travail de thèse est de mettre à profit le gain révolutionnaire en résolution et en sensibilité apporté par l’interféromètre submillimétrique ALMA afin de clarifier le processus d’accrétion-éjection à l’œuvre dans les protoétoiles. Cette pro- blématique est abordée selon trois axes complémentaires i) confrontation des modèles théoriques de vent de disque MHD à la dynamique du jet de HH212 observé par ALMA à haute résolution angulaire. Je présente la découverte de signatures de rotation en SO/SO2 dans le jet qui, avec la dynamique de SiO, sont cohérentes avec un vent de disque MHD lancé entre 0.05 et 40au. ii) étude analytique et numérique de l’impact de la variabilité d’un jet rapide pulsant sur un vent de disque. J’identifie des signatures observationnelles de la présence d’un vent de disque à partir de l’étude morphologique et cinématique des coquilles de choc d’étrave. iii) signatures chimiques d’un jet lancé en deçà de la région de sublimation des poussières (∼ 0.2 au). Je montre que malgré la forte irradiation du jet et l’absence de poussière, des molécules telles que SiO ou CO peuvent se former efficace- ment à partir d’une faible fraction de H2. Ce scénario pourra être confronté aux futures observations JWST
The question of angular momentum extraction from protoplanetary disks (hereafter PPDs) is fundamental in understanding the accretion process in young stars and the formation conditions of planets. Pioneering semi-analytical work, followed by a growing body of magnetohydrodynamic (MHD) simulations, have shown that when a significant vertical magnetic field is present, MHD disk winds (hereafter MHD-DWs) can develop and ex- tract some or all of the angular momentum flux required for accretion. The aim of this PhD thesis is to exploit the unprecedented capabilities provided by ALMA to clarify the accretion-ejection process in protostars. This goal is achieved following three approaches: 1) comparison of MHD-DW models with the kinematics of HH 212 jet observed by ALMA at high angular resolution. I report the discovery of a rotating SO/SO2 wind consistent with a MHD-DWs launched out to ∼40 au with SiO tracing dust-free streamlines launched from 0.05−0.3 au. 2) Analytical and numerical study of the interaction between a pulsat- ing inner jet embedded in a stationary disk wind. Observational signatures are identified from the morphology and the kinematics of bow-shock shells. 3) Chemical signatures of a jet launched inside the dust sublimation radius (∼ 0.2 au). I show that despite the strong X-FUV field and the absence of dust, molecules like SiO or CO can form efficiently from a small fraction of H2. This scenario will be confronted to JWST observations

Les étoiles de type solaire se forment par l'effondrement d'un nuage moléculaire, durant lequel la matière s'organise autour de l'étoile en formation sous la forme d'un disque, appelé disque protoplanétaire. Dans ce disque se forment les planètes, comètes et autres objets du système stellaire. La nature de ces objets peut donc avoir un lien avec l'histoire de la matière du disque.J'ai étudié l'évolution chimique et physique de cette matière, du nuage au disque, à l'aide du code de chimie gaz-grain Nautilus.Une étude de sensibilité à divers paramètres du modèle (comme les abondances élémentaires et les paramètres de chimie de surface) a été réalisée. Notamment, la mise à jour des constantes de vitesse et des rapports de branchement des réactions de notre réseau chimique s'est avérée influente sur de nombreux points, comme les abondances de certaines espèces chimiques, et la sensibilité du modèle à ses autres paramètres.Plusieurs modèles physiques d'effondrement ont également été considérés. L'approche la plus complexe et la plus consistante a été d'interfacer notre code de chimie avec le code radiatif magnétohydrodynamique de formation stellaire RAMSES, pour modéliser en trois dimensions l'évolution physique et chimique de la formation d'un jeune disque. Notre étude a démontré que le disque garde une trace de l'histoire passée de la matière, et sa composition chimique est donc sensible aux conditions initiales
Low mass stars, like our Sun, are born from the collapse of a molecular cloud. The matter falls in the center of the cloud, creating a protoplanetary disk surrounding a protostar. Planets and other solar system bodies will be formed in the disk.The chemical composition of the interstellar matter and its evolution during the formation of the disk are important to better understand the formation process of these objects.I studied the chemical and physical evolution of this matter, from the cloud to the disk, using the chemical gas-grain code Nautilus.A sensitivity study to some parameters of the code (such as elemental abundances and parameters of grain surface chemistry) has been done. More particularly, the updates of rate coefficients and branching ratios of the reactions of our chemical network showed their importance, such as on the abundances of some chemical species, and on the code sensitivity to others parameters.Several physical models of collapsing dense core have also been considered. The more complex and solid approach has been to interface our chemical code with the radiation-magneto-hydrodynamic model of stellar formation RAMSES, in order to model in three dimensions the physical and chemical evolution of a young disk formation. Our study showed that the disk keeps imprints of the past history of the matter, and so its chemical composition is sensitive to the initial conditions

L'existence de molécules interstellaires soulève une question, ces molécules sont-elles les mêmes molécules que nous voyons dans le système Solaire aujourd'hui ? C'est une question toujours ouverte qui implique des conséquences profondes. Il est possible d’éclaircir cette question en étant capables de retracer l'héritage d'un groupe de molécules chimiquement liées, ce que nous appelons un réservoir. Le meilleur outil pour retracer l'héritage des réservoirs sont les rapports isotopiques. L'élément qui montre les plus grandes variations du rapport isotopique dans le système Solaire est l'azote. Ces variations indiquent que le rapport isotopique de l'azote est sensible aux conditions physiques de la formation des étoiles.L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les réservoirs d'azote à différents étapes de la formation des étoiles et des planètes. La première étape de cette entreprise était d'identifier le rapport isotopique de la masse principal d'azote du milieu interstellaire local aujourd'hui.Cela a été déterminé égale à 323 ± 30 à partir du rapport CN/C 15 N mesuré dans le disque protoplanétaire autour de TW Hya. Parallèlement à cela, nous avons également mesuré un rapport HCN/HC 15 N=128 ± 36 dans le disque protoplanétaire autour de MWC 480. Ces rapports isotopiques très distinctes mesurées sur les disques protoplanétaires sont une indication claire de la présence d'au moins deux réservoirs d'azote dans les disques protoplanétaires. La façon dont ces réservoirs se séparent est cependant inconnue. Cela pourrait peut-être se produire en raison de réactions de fractionnement chimique ayant lieu dans les cœurs prestellaires. Nous avions donc comme objectif d'obtenir une mesure précise et directe du rapport isotopique de l'azote des molécules d'HCN dans le cœur prestellaire L1498.Pour obtenir cette mesure, l'obstacle le plus important à surmonter était due aux anomalies hyperfines des molécules d'HCN. Ces anomalies hyperfines sont induites par le chevauchement des composants hyperfins. Ceci sont particulièrement sensibles à la densité de colonne d'HCN, mais aussi au champ de vitesses et aux largeurs de raies. Ainsi les anomalies hyperfines sont un outil de mesure de l'abondance d'HCN permettant aussi de sonder la cinématique des cœurs prestellaires.Pour reproduire avec précision les anomalies hyperfines, et ainsi mesurer des densités de colonne précises d'HCN, nous avions besoin d'explorer un espace de paramètres dégénéré de 15 dimensions. Pour minimiser les dégénérescences nous avons obtenu un profil de densité basé sur des cartes du continuum de L1498. Ceci permettant de réduire à 12 dimensions l'espace des paramètres. L'exploration de cet espace de paramètre a été fait grâce à l'utilisation d'un méthode de minimisation MCMC. Grâce à cette exploration, nous avons obtenu HCN/HC 15 N = 338 ± 28 et HCN/H 13 CN = 45 ± 3. Les incertitudes sur ces valeurs sont limités par les erreurs de calibration et sont dé-terminés de manière non arbitraire par le méthode MCMC. Les implications de ces résultats sont discutées dans le chapitre de conclusion,où nous présentons également quelques perspectives sur l'avenir
The existence of interstellar molecules raises the question, are thesemolecules the same molecules we see on the Solar system today? Thisis still an open question with far reaching consequences. Some lightmay be shed on this issue if we are able to trace the heritage of agroup of chemically linked molecules, a so-called reservoir. The besttool to trace the heritage of reservoirs are isotopic ratios. The elementthat shows the largest isotopic ratio variations in the Solar system isnitrogen. For this is an indication that the isotopic ratio of nitrogen issensitive to the physical conditions during star formation.The main objective of this thesis is to identify the reservoirs of ni-trogen at different stages of star and planet formation. The first stepin this endeavour was to identify the isotopic ratio of the bulk of ni-trogen in the local ISM today. This was determined to be 323 ± 30from the CN/C 15 N ratio in the protoplanetary disk around TW Hya.Along with it we also measured the HCN/HC 15 N= 128 ± 36 in theprotoplanetary disk around MWC 480. This very distinct nitrogen iso-topic ratios on protoplanetary disks are a clear indication that thereare at least two reservoirs of nitrogen in protoplanetary disks. Howthese reservoirs get separated is however unknown. This could pos-sibly happen due to chemical fractionation reactions taking place inprestellar cores. We therefore aimed to obtain an accurate direct mea-surement of the nitrogen isotopic ratio of HCN in the prestellar coreL1498.To obtain this measurement the most important hurdle to overcomewere the hyperfine anomalies of HCN. These hyperfine anomaliesarise due to the overlap of hyperfine components. They are especiallysensitive to the column density of HCN, but also to the velocity fieldand line widths. Thus hyperfine anomalies are a tool to measure theabundance of HCN and to probe the kinematics of prestellar cores.To accurately reproduce the hyperfine anomalies, and thus mea-sure accurate column densities for HCN, we needed to explore adegenerate parameter space of 15 dimensions. To minimise the de-generacies we have derived a density profile based on continuummaps of L1498. This reduced the parameter space to 12 dimensions.The exploration of this parameter space was done through the useof a MCMC minimisation method. Through this exploration we ob-tained HCN/HC 15 N = 338 ± 28 and HCN/H 13 CN = 45 ± 3. Theuncertainties on these values are calibration limited and determinednon-arbitrarily by the MCMC method. Implications of these resultsare discussed in the concluding chapter, where we also present somefuture perspectives

It is some observational evidence that dense cores are the birthplace of low-mass stars. These regions, apparently quiescent, are capable of surviving several free-fall times and, potentially, collapse and form stars. Despite its importance, little is known about the very first evolutionary stages of these objects. The observational challenge that studying these diffuse and extended objects represent is preventing us to reveal their properties. It is easier, from an observational point of view, to study brighter sources as the more evolved Class-0 objects. It is possible then, through theoretical models, to trace the history back of these objects and find the initial conditions that, ideally, are those of the dense cores on which they formed. On the other hand, from the theoretical point of view, many studies have considered for decades the effect of the magnetic field in models. However, the lacks of instrumentation and observational techniques have prevented us from testing the predictions. Fortunately, several telescopes have developed polarimetric system during the last years allowing us to study for the first time the magnetic fields in a reliable manner. The complex interplay in dense cores among gravity, thermal pressure, turbulence, rotation, and magnetic field, in not well characterized due to all the previously described issues and, as a consequence, not well understood theoretically. The aim is, then, to improve our understanding on how the low-mass starless dense cores form, survive, and evolve. We faced this aim in a twofold approach. Firstly, we characterized observationally the physical, chemical, and magnetic properties of magnetized dense cores in their most initial stages, in order to understand the real initial conditions of the star-formation process. Secondly, we have compared interferometric observations of a Class-0 source to theoretical models of magnetized cloud collapse to derive the bettersuited initial conditions to form it, and the most relevant physical processes involved. To study the very young dense cores, we selected the Pipe nebula. This cloud presents very low star-formation efficiency (~0.06 %) and it is permeated by a uniform magnetic field. The nebula harbours more than a hundred very young dense cores mostly quiescent. We have mapped dense cores with densities below 10(5) cm(-3), lower than the typical values reported in literature. These cores present structures compatible with Bonnor-Ebert spheres, which suggests that they can be in a state close to hydrostatic equilibrium with the environment. Moreover, we discovered a very rich and varied chemistry, unexpected taking into account previous works in similar sources. Even in such young and diffuse objects, it is possible to distinguish differentiated chemical properties that allow us to propose an observational characterization and to suggest a possible evolutionary sequence. Some of the cores present chemical properties compatible with ages of 1 million years, but the lack of signposts of collapse suggests that active supporting non-thermal sources are acting. The lack of spherical symmetry also implies that some anisotropic force is present. The reported sub-Alfvénic turbulence points to magnetic field as this agent, which would cause the flattened shapes. NGC 1333 IRAS 4A is the ideal source to test magnetized low-mass cloud collapse models as it is a young Class-0 source with a collapsing envelope of gas and dust and a detected magnetic field with a clear hour-glass shape. We have confirmed that its properties can be satisfactorily explained with the standard model of star formation. The ideal-MHD models lead to better results, and the use of a temperature profile improves the agreement with the observational data. The initial conditions of the models, with sizes of ~0.1 pc and centrally peaked densities, agree with the results found toward the Pipe nebula dense cores. The intensity of the magnetic fields used in the models can be scaled to the values obtained for the diffuse gas with a power-law such as B-alpha-ro (1/2) typical of magnetized clouds evolving through ambipolar diffusion. From a technical point of view, the method used can establish the starting point in the way the ALMA data will be analyzed. The high quality of the data will make possible this kind of analysis, and foresees a huge improvement in our understandings of the star-formation process.
És una evidència observacional que els nuclis densos són llocs de naixement d’estrelles de baixa massa. Aquestes regions aparentment inactives són capaces de sobreviure diverses vegades l’escala temporal de caiguda lliure i, potencialment, col•lapsar per formar estrelles. Malgrat la seva importància se’n coneixen pocs detalls dels primers estadis evolutius d’aquests objectes. El desafiament observacional que representa estudiar objectes tan difusos i estesos ens dificulta revelar-ne les respostes. Resulta molt més senzill, des d’un punt de vista observacional, estudiar fonts més brillants com les més evolucionades Classe-0, de les quals se’n pot revertir la història en base a models teòrics i trobar-ne les condicions inicials que són, idealment, aquelles dels nuclis densos on s’han format. Per altra banda, des d’un punt de vista teòric, molts estudis han considerat l’efecte del camp magnètic en els seus models durant dècades. No obstant això, la mancança d’instrumentació i tècniques observacionals impedien contrastar-ne les prediccions. Per fortuna, diversos telescopis han desenvolupat sistemes polarimètrics durant els darrers anys permetent estudiar per primera vegada i de forma fiable el camp magnètic. Per tot això, la complexa interacció als nuclis densos entre gravitació, pressió tèrmica, turbulència, rotació i camp magnètic no està ben caracteritzada observacionalment i, com a conseqüència, tampoc ben entesa teòricament. L’objectiu és, aleshores, aprofundir en la comprensió de com es formen, sobreviuen i evolucionen els nuclis densos de baixa massa. Aquest objectiu l’hem enfrontat seguint dues vessants. En primer lloc, hem caracteritzat observacionalment les propietats físiques, químiques i magnètiques dels nuclis densos magnetitzats als seus estadis més primigenis, a fi d’entendre les vertaderes condicions inicials del procés de formació estel•lar. En segon lloc, hem comparat les observacions interferomètriques d’una font Classe-0 amb models teòrics de col•lapse de núvols magnetitzats, per derivar-ne les condicions inicials més adients per formar-la i els processos físics que n’han dominat l’evolució. Per a l’estudi dels nuclis densos primigenis hem seleccionat la nebulosa de la Pipa, que presenta una eficiència de formació estel•lar molt baixa (~0.06 %) i està penetrada per un camp magnètic uniforme. La nebulosa alberga més d’un centenar de nuclis densos molt joves majoritàriament inactius. Hem mapat nuclis densos amb densitat per sota de 10(5) cm(-3), molt per sota dels valors reportats a la literatura. Aquests nuclis presenten una estructura compatible amb esferes de Bonnor-Ebert, el que suggereix que es poden trobar en situació d’equilibri hidrostàtic amb el seu entorn. A més, hem descobert una química molt rica i variada, inesperada tenint en compte els treballs previs en fonts d’aquest tipus. Inclús en objectes tan joves i difusos, és possible distingir característiques químiques pròpies que permeten definir grups i establir una possible seqüència química evolutiva. Alguns dels objectes mostren propietats químiques típiques d’edats de 1 milió d’anys, però la mancança d’indicis de col•lapse gravitatori suggereix que hi ha actives fonts de suport no tèrmiques. La falta de simetria esfèrica també implica que alguna força anisotròpica està actuant. La turbulència sub-Alfvénica apunta a que el camp magnètic pot ser aquest agent, el que causaria les formes aplanades. NGC 1333 IRAS 4A és la font ideal per a testejar els model de col•lapse magnetitzat a baixa massa perquè es una Classe-0 jove amb un embolcall de gas i pols en fase de col•lapse on es detecta un camp magnètic amb clara morfologia de rellotge d’arena. Hem confirmat que les seves propietats poden ser explicades satisfactòriament amb el model estàndard de formació estel•lar. Els models de magnetohidrodinàmica idealitzada condueixen a millors resultats, i l’ús de un perfil de temperatura millora l’acord amb les dades. Les condicions inicials dels models, amb mides de ~0.1 pc i densitats creixents cap al centre, concorden amb els resultats als nuclis densos de la nebulosa de la Pipa. La intensitat del camp magnètic inicial usat pels models poden ser escalats als valors obtinguts per al gas difús de la Pipa amb una llei del tipus B-alfa-ro(1/2) típica de núvols magnetitzats. Des d’un punt de vista més tècnic, el mètode que hem emprat pot establir un punt de referència en la manera en que les futures dades d’ALMA seran analitzades. La alta qualitat de les dades farà possible aquest tipus d’anàlisis, i fa preveure una gran millora en l’enteniment del procés de formació estel•lar.

L'ère des observations interférométriques mène à la nécessité d'une description plus précise de la structure physique et de la dynamique des régions de formation d'étoiles, des coeurs pré-stellaires et des disques proto-planétaires. L'émission moléculaire et du continuum de la poussière peuvent être décrites par de multiples composantes physiques. Pour comparer avec les observations, un modèle de transfert radiatif précis et complexe de ces régions est nécessaire. J'ai développé au cours de cette thèse une application autonome appelée GASS (Generator of Astrophysical Sources Structures, Quénard et al., soumis) à cette fin. Grâce à son interface, GASS permet de créer, de manipuler et de mélanger différents composants physiques tels que des sources sphériques, des disques et des outflows. Dans cette thèse, j'ai utilisé GASS pour travailler sur différents cas astrophysiques et, entre autres, j'ai étudié en détail l'eau et l'émission de l'eau deutérée dans le coeur pré-stellaire L1544 (Quénard et al., 2016) ainsi que l'émission des ions dans la proto-étoile de faible masse IRAS16293-2422 (Quénard et al., soumis)
The era of interferometric observations leads to the need of a more and more precise description of physical structure and dynamics of star-forming regions, from pre-stellar cores to proto-planetary disks. The molecular and dust continuum emission can be described with multiple physical components. To compare with the observations, a precise and complex radiative transfer modelling of these regions is required. I have developed during this thesis a standalone application called GASS (Generator of Astrophysical Sources Structures, Quénard et al., submitted) for this purpose. Thanks to its interface, GASS allows to create, manipulate, and mix several different physical components such as spherical sources, disks, and outflows. In this thesis, I used GASS to work on different astrophysical cases and, among them, I studied in details the water and deuterated water emission in the pre-stellar core L1544 (Quénard et al., 2016) and the emission of ions in the low-mass proto-star IRAS16293-2422 (Quénard et al., submitted)

L'un des buts majeurs de l'astrophysique moderne est de comprendre la formation du Système Solaire. Puisque les protoétoiles de faible masse sont des soleils en formation, l'étude de ces objets est un des meilleurs moyens d'étudier le processus de formation du Soleil et de son système planétaire. Dans ma thèse, je me suis concentrée sur la chimie des premières phases d'évolution des protoétoiles de faible masse en étudiant les molécules organiques complexes dans des sources de Classe 0, qui représentent les phases les plus jeunes connues. De telles molécules ont été découvertes dans IRAS16293-2422, le prototype des sources de Classe 0, démontrant l'existence des ``hot corinos'', des régions où les manteaux des grains subliment. Certaines de ces molécules ont aussi été observées dans des comètes de notre Système Solaire, soulevant la question de savoir si (et auquel cas, comment) la chimie des Classes 0 affecte la composition chimique de la matière du disque protoplanétaire incorporée dans les comètes et autres corps planétaires. Cependant, il est d'abord nécessaire de déterminer si les hot corinos sont omniprésents dans les protoétoiles de faible masse, ou si IRAS16293-2422 est une exception. Ceci était le premier but de ma thèse. L'approche consistait principalement à observer trois sources de Classe 0 pour chercher des molécules organiques complexes. J'ai ainsi découvert et/ou confirmé trois hot corinos de plus. Le second but était de contraindre la taille de la région d'émission des molécules complexes au moyen d'observations interférométriques des deux hot corinos les plus brillants : cette émission est compacte (<150 AU), avec, dans l'un des cas, une composante étendue provenant de l'enveloppe externe. Le troisième but avait pour lieu de confronter les voies de formation possibles des molécules complexes avec les résultats de mes observations pour essayer de distinguer si ces molécules se forment en phase gazeuse ou à la surface des grains. Bien que mes données ne puissent éliminer aucun des deux cas, elles semblent favoriser le second type de formation. De plus, la comparaison entre hot corinos et leurs homologues massifs, les hot cores (qui montre que les molécules complexes sont relativement plus abondantes dans les hot corinos), soutient également la formation à la surface des grains
One of the major goals of modern astrophysics is to understand the formation of our Solar System. Since low-mass protostars are suns in the making, the study of these objects and their environment provides one of the best ways to investigate the Sun's formation process and to peek in the past history of our Solar System. In my thesis, I focused on the chemistry occuring in Class 0 sources (the earliest known phases in the evolutionary scenario of low-mass protostars) by studying complex organic molecules in their envelopes. Such molecules have been discovered in IRAS16293--2422, the prototype of Class 0 sources, proving the existence of hot corinos, the inner regions of the protostellar envelope where the icy grain mantles sublimate. Some of these molecules have also been observed in comets in our Solar System, raising the question of whether (and if so, how) the chemistry of Class 0 objects affects the chemical composition of the protoplanetary disk material from which comets and other planetary bodies form. However, it is first necessary to determine whether hot corinos are ubiquitous in low-mass protostars or if IRAS16293-2422 is an exception. This was the first goal of my thesis. The approach consisted mainly in observing three Class 0 sources to search for complex organic molecules. I thereby discovered and/or confirmed three more hot corinos. The second goal was then to constrain the size of emission of complex molecules. For this, I carried out interferometric observations of the two brightest hot corinos: this emission is compact (<150 AU) with, in one of the sources, an extended component originating from the cooler, less dense outer envelope. The third goal consisted in confronting the possible formation pathways with the results of my observations to try and discriminate whether complex organic molecules form via gas-phase or grain-surface reactions. Although it was not possible to arrive at a definite answer, my data seem to favor the later formation route. Moreover, the comparison of hot corinos and their high-mass analogs, the hot cores (showing that complex molecules are relatively more abundant in hot corinos), also support grain-surface synthesis of these molecules

We report the second complete molecular line data release from the Census of High-and Medium-mass Protostars (CHaMP), a large-scale, unbiased, uniform mapping survey at sub-parsec resolution, of millimeter-wave line emission from 303 massive, dense molecular clumps in the Milky Way. This release is for all (CO)-C-12 J = 1 -> 0 emission associated with the dense gas, the first from Phase II of the survey, which includes (CO)-C-12, (CO)-C-13, and (CO)-O-18. The observed clump emission traced by both (CO)-C-12 and HCO+ (from Phase I) shows very similar morphology, indicating that, for dense molecular clouds and complexes of all sizes, parsec-scale clumps contain. similar to 75% of the mass, while only 25% of the mass lies in extended (>10 pc) or "low density" components in these same areas. The mass fraction of all gas above a density of 10(9) m(-3) is xi(9) greater than or similar to 50%. This suggests that parsec-scale clumps may be the basic building blocks of the molecular interstellar medium, rather than the standard GMC concept. Using (CO)-C-12 emission, we derive physical properties of these clumps in their entirety, and compare them to properties from HCO+, tracing their denser interiors. We compare the standard X-factor converting I (CO)-C-12 to N-H2 with alternative conversions, and show that only the latter give whole-clump properties that are physically consistent with those of their interiors. We infer that the clump population is systematically closer to virial equilibrium than when considering only their interiors, with perhaps half being long-lived (10s of Myr), pressure-confined entities that only terminally engage in vigorous massive star formation, supporting other evidence along these lines that was previously published.

La formation des étoiles s’accompagne généralement de la formation d'undisque où peuvent se former les planètes. Ces disques protoplanétaires contiennent un mélange de 99 % de gaz et de 1 % de particules solides appelées grains de poussière. Initialement de taille sub-micrométrique, ces grains vont progressivement s’agglomérer, grossir, et potentiellement permettre la formation de planètes autour de l’étoile.L’étude de la composition en molécules et en grains des disques jeunes est fondamentale pour contraindre les conditions physico-chimiques initiales de la formation planétaire et l’origine de la composition chimique des planètes.L’objectif de la thèse a été de construire des modèles sophistiqués de disques jeunes typiques constitués de gaz et d’une population de grains de différentes tailles puis, de manière inédite, de tester par simulations numériques l’implication de cette distribution en taille et en température sur l’évolution chimique.Pour ce faire, nous avons couplé le code de transfert radiatif 3D Monte-Carlo POLARIS au code de simulation gaz-grain dépendant du temps NAUTILUS. Le code de transfert radiatif nous a permis de calculer finement la température des grains en fonction de leur taille et de leur position ainsi que le flux UV au sein du disque. Le code gaz-grain, quant à lui, a ensuite pu simuler l’évolution des abondances chimiques dans nos modèles de disques. De plus, le calcul du flux UV effectué par POLARIS couplé à l’utilisation de section efficaces moléculaires provenant de bases de données a permis le calcul en fonction de la fréquence des taux de photoabsorption, de photodissociation et de photoionisation des molécules
The star formation process usually proceeds with protoplanetary disks. These disks contain a mixture of gas, accounting for 99 % of the disk mass, and of solid particles called dust grains (1 % of the disk mass). These grains, initially at sub-micro metric sizes, gradually coagulate, grow, and potentially allow for the formation of planets about the star.The study of the dust and molecular composition of young disks is fundamental to constraint the physical and chemical initial conditions of planetary formation and the origins of the chemical composition of the planetary cores.The goal of this thesis was to build state-of-the-art models of typical young disks consisting of gas and of a population of grains of multiple sizes, then, in a new approach, to test with the use of numerical simulations the implication of the size and temperature distributions on the chemical evolution of disks.To achieve this, we have coupled the 3D Monte-Carlo radiative transfer code POLARIS to the time-dependent gas-grain code NAUTILUS. The radiative transfer code allowed us to finely compute the grain temperature as a function of the size and location as well as the UV flux within the disk. The gas-grain code was able to simulate the evolution of the chemical abundances in our disk models. Moreover, the computation of the UV flux by POLARIS coupled to a set of molecular cross-sections extracted from a comprehensive database allowed us to compute as a function of the frequency the rates of molecular photoabsorption, photodissociation, and photoionization

The work of this thesis is set within the general context of the overall effort to increase the observational studies of the chemical content in Solar-type protostars. Molecular deuteration and interstellar Complex Organic Molecules (iCOMs) are of great importance in the study of protostellar regions. On the one hand, deuterated species give the opportunity to recover the physical gas conditions in the pre-collapse phase. On the other hand, iCOMs constitute the smallest bricks to build up biotic matherial and they had a role in the emergence of life on Earth. Nevetheless, observations of D-bearing species and iCOMs performed with single-dish antennas exist for very few sources and only a handful are at higher angular resolution. This prevents so far the elaboration of a firm and coherent picture. In this work (i) we improved the observational scenario with the analysis of deuterated species and iCOMs in the Class 0 source HH212, and (ii) we opened new laboratories to study how the chemical-physical properties evolves with time, as in the case of the Class I protostar SVS13-A.

A wide range of observed luminosities of young forming stars conflicts with predictions of the standard star formation model, which features a constant accretion rate. To resolve this discrepancy, an episodic accretion model has been suggested. The focus of this dissertation is to test this model in low mass star formation. I present new observations of the CB130 region. The observed photometric data from Spitzer and ground-based telescopes are used to determine the luminosity, and radiative transfer modeling of dust and gas are used to characterize the envelope and disk. I compare molecular line observations to models to constrain the chemical characteristics and abundance variations. Based on the chemical model result and molecular line observations, the low luminosity of the embedded protostar is explained better as a quiescent stage between episodic accretion bursts rather than as the first hydrostatic core stage. I present CO₂ ice observations toward 19 low luminosity embedded protostars. About half of the sources have evidence for pure CO₂ ice, and six have significant double-peaked features, which are strong evidence of pure CO₂ ice. The presence of detectable amounts of pure CO₂ ice signify a higher past luminosity, consistent with the past high accretion. Using chemical evolution modeling, the episodic accretion scenario, in which mixed CO-CO₂ ice is converted to pure CO₂ ice during each high luminosity phase, explains the presence of pure CO₂ ice, the total amount of CO₂ ice, and the observed residual C18O gas. I used CARMA to observe a sample of embedded protostars that spans the full range of protostellar luminosities, especially lower luminosity sources. The standard model predicts the disk mass increases steadily while the episodic accretion model predicts no clear relationship between disk mass and bolometric temperature. Masses of six detected disks spread out regardless of bolometric temperature. With the pure CO₂ ice detection, I can explain disk masses of the source in the context of episodic mass accretion. I conclude that episodic mass accretion provides a good explanation of the low luminosity of protostars, molecular line strength, pure CO₂ ice detection, total CO₂ ice amount and spread of disk masses.
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Star formation is a process of crucial importance in modern astrophysics to understand the evolution of galaxies and of the Universe after the Big Bang. With the advent of radio-astronomy, we have discovered that star-forming regions in the interstellar medium (ISM), are characterized by the emission of rotational transitions of molecular species and in the last decades astronomers have identified more than 200 molecules, from simple diatomic to complex organic molecules (COMs, molecules containing carbon with 6 or more atoms). Some of these molecules have also a prebiotic importance, hence understanding how these molecules are formed is essential to understand how the basic “bricks of life” can form in star-forming regions. Hot molecular cores (HMCs) in high-mass star-forming regions are the most chemically-rich sources in the Galaxy. For this reason, they represent a unique environment to study the chemistry in the early phases of star-formation. From an observational perspective, high-mass young stellar objects are challenging to study since they are rare and usually located at distances larger than 1 kpc. Moreover, the timescale of the evolution of these sources is short if compared to low-mass young stellar objects, and during the formation process the protostar is deeply embedded within the natal cloud. The main pathway for the formation of high-mass stars is still debated, nevertheless a rough classification in evolutionary stages is possible. The main goal of this thesis is to understand the degree of chemical richness that can be reached in high-mass star-forming regions and trace how the chemistry evolves with evolutionary phases. To reach this goal, observational large surveys are necessary to derive properties that can be considered as typical for such regions. The first project presented in this thesis is the TOPGot project that aims to study the evolution of chemistry by targeting a large sample of high-mass star-forming regions, covering all the evolutionary phases. This project collects observations carried out with the IRAM 30m telescope toward 86 sources. As first step, mandatory to prepare the ground for any future chemical study, I have derived the main physical properties of the sources (luminosity, mass, dust temperature, H2 column density) necessary to properly model the chemistry, and investigated how the presence and the parameters of the COM CH3CN evolve with time. The second project is the G31.41+0.31 (G31) Unbiased ALMA sPectral Observational Survey (GUAPOS). The data covers the entire band 3 of the ALMA interferometer (∼ 32 GHz) with a spatial resolution of 1.2′′and a spectral resolution of 0.4884 MHz. The full coverage of the ALMA band 3 allows us to properly identify the molecular species present in this extremely rich HMC, especially for COMs. In the first work of this project, I have analyzed the emission of the three isomers of C2H4O2: methyl formate, glycolaldehyde (the simplest sugar-related molecule), and acetic acid. The derived physical properties and abundances of the three isomers can help to constrain the predictions of chemical models and provide important input in the discussion of the main formation pathway of these molecular species. Moreover, glycolaldehyde is also of prebiotic interest, since it has been indicated as one of the precursors of ribose. Therefore, studying its possible formation route will help us to understand how prebiotic chemistry has developed in star-forming regions. In the second work presented in this, thesis I have analyzed the emission of 13 COMs containing O and N atoms, to investigate the possible presence of chemical differentiation within G31. This is a work-in-progress: here I present the preliminary results from the spectral analysis. In the future, I will conclude the study by analyzing the maps of emission of selected molecular transitions to see if the different molecular species are spatially segregated, as discovered in other sources.

In this thesis, I focus on the physical and chemical evolution at the earliest stages of low-mass star formation. I report results from the Spitzer Space Telescope and molecular line observations of 9 species toward the dark cloud L43, a survey of 10 Class 0 and 6 Class I protostars with 8 molecular lines, and a survey of 9 Very Low Luminosity Objects (VeLLOs) with 11 molecular lines. From the observational results, CO depletion is extensively observed with C¹⁸O(2-1) maps. A general evolutionary trend is also seen toward the Class 0 and I samples: higher deuterium fractionation at higher CO depletion. For the VeLLO candidates and starless cores with N₂D⁺(3-2) detection, we found the deuterium ratio of N₂D⁺/N₂H⁺ is higher comparing with the Class 0 and I samples. We use DCO⁺(3-2) maps to trace the velocity structures. Also, HCO⁺(3-2) blue profiles are seen toward the VeLLO candidate L328, indicating possible infall. To test theoretical models and to interpret the observations, we adopt a modeling sequence with self-consistent calculations of dust radiative transfer, gas energetics, chemistry, and line radiative transfer. In the L43 region described in Chapter 2, a starless core and a Class I protostar are evolving in the same environment. We modeled both sources with the same initial conditions to test the chemical characteristics with and without protostellar heating. The physical model consists of a series of Bonner-Ebert spheres describing the pre-protostellar (PPC) stages following by standard inside-out collapse (Shu 1977). The model best matches the observed lines suggests a longer total timescale at the PPC stage, with faster evolution at the later steps with higher densities. In Chapter 3, we modeled the entire group of Class 0 and I protostars. The trend of decreasing deuterium ratio can be seen after the temperature is high enough for CO to evaporate. After the evaporation, the history of heavy depletion (e.g, from longer PPC timescales or different grain surface properties) no longer affects the line intensities of gas-phase CO. The HCO⁺ blue profiles, which are used as infall indicators, are predicted to be observed when infall is beyond the CO evaporation front. The low luminosity of VeLLOs cannot be explained by standard models with steady accretion, and we tested an evolutionary model incorporating episodic accretion to investigate the thermal history and chemical behaviors. We tested a few chemical parameters to compare with the observations and the results from Chapter 2 and 3. The modeling results from episodic accretion models show that CO and N₂ evaporate from grain mantle surfaces at the accretion bursts and can freeze back onto grain surfaces during the long periods of quiescent phases. Deuterated species, such as N₂D⁺ and H₂D⁺, are most sensitive to the temperature. Possible good tracers for the thermal history include the line intensities of gas-phase N₂H+ relative to CO, as well as CO₂ and CO ice features.
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