Tesi sul tema "Photodissociation Region"

Les raies moléculaires tracent la structure du milieu interstellaire ainsi que les conditions physiques du gaz dans différents environnements allant des galaxies à haut redshift aux disques protoplanétaires. Pour bénéficier des diagnostics moléculaires les voies de formation et de destruction des molécules doivent être comprises quantitativement, tout comme les couplages entre la chimie en phase gazeuse et solide. Des jeux bien compris de données concernant des sources simples sont essentiels pour tester les prédictions des modèles théoriques. Cette thèse présente l'analyse d'un relevé spectral systématique à 1, 2 et 3mm avec le télescope IRAM-30m dans la Tête de Cheval, offrant une combinaison inédite de bande passante, haute résolution spectrale et sensibilité, en direction de deux positions: la région de photodissociation (PDR) et une cœure froid à proximité. Environ 30 espèces avec un maximum de 7 atomes sont détectées sans compter les isotopologues. Ces données sont complétées par des cartes interférométriques IRAM-PdBI à haute résolution d'espèces spécifiques. Les résultats de cette thèse incluent la detection de CF+, un nouveau diagnostic de gaz exposé à l'UV lointain; la détection d'une nouvelle molécule interstellaire, que nous attribuons au petit hydrocarbure C3H+; une étude approfondie des molécules organiques H2CO, CH3OH et CH3CN, qui indique que la photodésorption des glaces est un mécanisme efficace pour relâcher ces molécules en phase gazeuse; et la première détection de molécules organiques complexes, comme HCOOH, CH2CO, CH3CHO et CH3CCH dans une PDR, qui révèle la complexité chimique dans le gaz neutre éclairé en UV lointain.

Les raies moléculaires tracent la structure du milieu interstellaire ainsi que les conditions physiques du gaz dans différents environnements allant des galaxies à haut redshift aux disques protoplanétaires. Pour bénéficier des diagnostics moléculaires les voies de formation et de destruction des molécules doivent être comprises quantitativement, tout comme les couplages entre la chimie en phase gazeuse et solide. Des jeux bien compris de données concernant des sources simples sont essentiels pour tester les prédictions des modèles théoriques. Cette thèse présente l’analyse d’un relevé spectral systématique à 1, 2 et 3mm avec le télescope IRAM-30m dans la Tête de Cheval, offrant une combinaison inédite de bande passante, haute résolution spectrale et sensibilité, en direction de deux positions: la région de photodissociation (PDR) et une cœure froid à proximité. Environ 30 espèces avec un maximum de 7 atomes sont détectées sans compter les isotopologues. Ces données sont complétées par des cartes interférométriques IRAM-PdBI à haute résolution d’espèces spécifiques. Les résultats de cette thèse incluent la detection de CF+, un nouveau diagnostic de gaz exposé à l’UV lointain; la détection d’une nouvelle molécule interstellaire, que nous attribuons au petit hydrocarbure C3H+; une étude approfondie des molécules organiques H2CO, CH3OH et CH3CN, qui indique que la photodésorption des glaces est un mécanisme efficace pour relâcher ces molécules en phase gazeuse; et la première détection de molécules organiques complexes, comme HCOOH, CH2CO, CH3CHO et CH3CCH dans une PDR, qui révèle la complexité chimique dans le gaz neutre éclairé en UV lointain
Molecular lines are used to trace the structure of the interstellar medium and the physical conditions of the gas in different environments, from high-z galaxies to protoplanetary disks. To fully benefit from the diagnostic power of molecular lines, the formation and destruction paths of the molecules, including the interplay between gas-phase and grain surface chemistry, must be quantitatively understood. Well-defined sets of observations of simple template sources are key to benchmark the predictions of theoretical models. With that motivation, this thesis is focused on the observation and analysis of an unbiased spectral line survey at 3, 2 and 1mm with the IRAM-30m telescope in the Horsehead nebula, with an unprecedented combination of bandwidth, high spectral resolution and sensitivity. Two positions were observed: the warm photodissociation region (PDR) and a cold condensation shielded from the UV field. Approximately 30 species, with up to 7 atoms plus their isotopologues, are detected. These data are complemented by high-angular resolution IRAM-PdB interferometric maps of specific species. The results of this thesis include the detection of CF+, a new diagnostic of the UV illuminated gas; the detection of a new species in the ISM, tentatively attributed to C3H+; a deep study of the abundance, spatial distribution and excitation conditions of H2CO, CH3OH and CH3CN, which reveals that photo-desorption of ices is an efficient mechanism to re- lease molecules into the gas phase; and the first detection of the complex organic molecules, HCOOH, CH2CO, CH3CHO and CH3CCH in a PDR, which reveals the degree of chemical complexity reached in the UV illuminated neutral gas

Les disques protoplanétaires entourant les jeunes étoiles sont les embryons des systèmes planétaires. A différentes phases de leur évolution, ils peuvent subir d'importantes pertes de masse par photoévaporation : des photons énergétiques, issus de l'étoile centrale ou d'une étoile voisine, chauffe le disque qui perd en masse sous l'échappement des particules. Cependant, ce mécanisme et la physique sous-jacente n'ont que peu été contraints par les observations. Les objectifs de cette thèse sont d'étudier la photoévaporation dans le cas particulier où elle est due à des photons FUV, d'identifier les principaux paramètres physiques (densité, température) et processus (chauffage et refroidissement) impliqués, et d'estimer son impact sur l'évolution dynamique des disques. L'étude repose sur le couplage observations - modélisations des disques photoévaporés par les photons UV en provenance d'étoiles massives proches. Ces objets, appelés "proplyds", ont leur disque entouré d'une large enveloppe nourrie des flots de photoévaporation. A l'aide d'un modèle 1D d'une région de photodissociation, j'ai développé un modèle pour l'émission dans l'infrarouge lointain des proplyds. Ce modèle a été utilisé pour interpréter les observations, issues principalement de Herschel, pour quatre proplyds. Il apparait que les conditions physiques en surface de leur disque sont similaires: une densité de l'ordre de 10 6 par cm cube et une température d'environ 1000 K. Cette température est maintenue par un équilibre dynamique : si la surface se refroidit, la perte de masse diminue et l'enveloppe se réduit. L'atténuation UV produite par l'enveloppe diminue alors et le disque, recevant plus de photons UV, chauffe. La majorité du disque peut s'échapper sous forme de flots de photoévaporation avec des taux de perte de masse de quelques 10 -7 masse solaire par an ou plus, en accord avec les observations précédentes des traceurs du gaz ionisé. A la suite de ce travail, j'ai développé un modèle hydrodynamique 1D pour étudier l'évolution dynamique d'un disque en photoévaporation par un champ de rayonnement externe. [...]
Protoplanetary disks are found around young stars, and represent the embryonic stage of planetary systems. At different phases of their evolution, disks may undergo substantial mass-loss by photoevaporation: energetic photons from the central or a nearby star heat the disk, hence particles can escape the gravitational potential and the disk loses mass. However, this mechanism, and the underlying physics regulating photoevaporation, have not been well constrained by observations so far. The aims of this thesis are to study photoevaporation, in the specific case when it is driven by far-UV photons, to identify the main physical parameters (density, temperature) and processes (gas heating and cooling mechanisms) that are involved, and to estimate its impact on the disk dynamical evolution. The study relies on coupling observations and models of disks being photoevaporated by UV photons coming from neighbouring massive star(s). Those objects, also known as "proplyds", appear as disks surrounded by a large cometary shaped envelope fed by the photoevaporation flows. Using a 1D code of the photodissociation region, I developed a model for the far-IR emission of proplyds. This model was used to interpret observations, mainly obtained with the Herschel Space Observatory, of four proplyds. We found similar physical conditions at their disk surface: a density of the order of 10 6 cm and a temperature about 1000 K. We found that this temperature is maintained by a dynamical equilibrium: if the disk surface cools, its mass-loss rate declines and the surrounding envelope is reduced. Consequently, the attenuation of the UV radiation field by the envelope decreases and the disk surface, receiving more UV photons, heats up. Most of the disk is thus able to escape through photoevaporation flows leading to mass-loss rates of the order of 10 -7 solar mass per year or more, in good agreement with earlier spectroscopic observations of ionised gas tracers. Following this work, I developed a 1D hydrodynamical code to study the dynamical evolution of an externally illuminated protoplanetary disk. [...]

La rétroaction radiative par les étoiles massives, qui chauffe et agite le gaz du nuage environnant, est un mécanisme dominant limitant la formation stellaire et planétaire. En effet, les observations montrent que seule 1-5 % de la masse des nuages moléculaires est convertie en étoiles. Au cours de cette thèse, je me suis intéressée aux régions neutres, chaudes et irradiées entre les milieux ionisés et moléculaires froids. Plus particulièrement, j'ai étudié comment l'excitation à la formation de certaines molécules (OH, CH+ et CH3+) permettaient d'établir des diagnostics simples et robustes pour contraindre les paramètres physiques et chimiques de ces régions. Pour ce faire, j'ai couplé un travail de modélisation détaillée du gaz, en utilisant des données de dynamique quantique, avec l'analyse des observations du James Webb Space Telescope. La couverture spectrale, la grande sensibilité et la résolution angulaire du JWST lui donne un accès inédit à la chimie et la microphysique des sous-structures à petites échelles des régions de photodissociation (PDR) et des régions chaudes des disques protoplanétaires (région interne ou vent photoévaporé). Ma thèse s'inscrit alors dans l'analyse des données du programme PDRs4All observant la Barre d'Orion et des disques protoplanétaires se trouvant dans la ligne de visée (en particulier d203-506).En préparation des observations, je me suis d'abord concentrée sur les prédictions de ce que pourrait détecter le JWST. J'ai alors étudié l'émission prompte de OH produit rotationnellement excité par la photodissociation de l'eau. Pour cela, j'ai utilisé le code PDR de Meudon, qui calcule de façon auto-cohérente le transfert de rayonnement, la chimie et le bilan thermique dans les PDRs. En implémentant l'émission prompte dans ce code, nous montrons alors que seuls les milieux suffisamment denses et chauds permettent d'exciter OH à la formation. La seconde partie de ma thèse présente l'analyse des spectres obtenus avec le JWST. Les signatures des molécules très excitées à la formation présentes dans ces données et analysées avec des modèles d'excitation à zone unique, basés sur des données de dynamique quantique, ont permis de révéler une chimie particulièrement active dans les régions chaudes et irradiées. Dans la Barre d'Orion et d203-506, nous révélons la détection de OH, CH+ et CH3+ ainsi que leur excitation à la formation, nous permettant de contraindre la chimie en action. En effet, l'émission rotationnelle de OH, modélisée auparavant et détectée dans l'infrarouge moyen, permet de révéler la photodissociation de l'eau. L'émission de OH et CH+, dans l'infrarouge proche trace la formation et l'excitation de ces espèces par pompage chimique via des réactions avec H2 : X + H2 → XH* + H. Ces raies d'émission nous permettent donc de révéler un cycle de formation et de destruction de l'eau très actif dans d203-506 (O <=> OH <=> H2O) ainsi que le début de la chaîne de la chimie du carbone (C+ → CH+ → CH2+ → CH3+) dans la PDR et le disque. Les modèles d'excitation nous ont permis d'identifier les processus d'excitation observés et de traduire l'intensité des raies mesurée en taux de formation et de destruction de ces espèces. Ils permettent également de contraindre les conditions physiques du milieu et peuvent être utilisées pour déterminer localement, à partir de l'intensité des raies observées, l'intensité du champ UV (pour la photodissociation de l'eau) ou la densité du gaz (pour l'émission prompte), ingrédients essentiels déterminant les conditions initiales de la formation stellaire et planétaire. Ces nouveaux diagnostics sont alors des clés d'analyse pour de nombreuses observations du JWST puisqu'il est attendu que ces processus soient détectés dans une multitude d'objets astrophysiques qui présentent des régions chaudes et irradiées (protoétoile, outflow, nébuleuse planétaire...)
Radiative feedback from massive stars, which heats and disperses the gas in the surrounding cloud, is a dominant mechanism limiting stellar and planetary formation. Indeed, observations show that only 1-5% of the mass of molecular clouds is converted into stars. In this thesis, I focused on the neutral, warm and irradiated regions between ionized and cold molecular media. In particular, I investigated how the excitation at the formation of certain molecules (OH, CH+ and CH3+) enabled simple and robust diagnostics to constrain the physical and chemical parameters of these regions. To do this, I coupled detailed gas modeling, using quantum dynamics data, with analysis of observations from the James Webb Space Telescope. The spectral coverage, high sensitivity and angular resolution of the JWST give unprecedented access to the chemistry and microphysics of the small-scale substructures of photodissociation regions (PDR) and the warm regions of protoplanetary disks (inner region or photoevaporated wind). My thesis is part of the analysis of data from the PDRs4All program observing the Orion Bar and protoplanetary disks in the line of sight (in particular d203-506).In preparation for the observations, I first concentrated on predicting what the JWST might detect. I studied the prompt emission of rotationally excited OH produced by the photodissociation of water. To this end, I used the Meudon PDR code, which self-consistently calculates the radiative transfer, the chemistry and the heat balance in PDRs. By implementing prompt emission in this code, we then show that only sufficiently dense and warm environments allow OH excitation at formation. The second part of my thesis presents the analysis of spectra obtained with the JWST. The signatures of highly excited molecules at formation observed in these data and analyzed with single-zone excitation models, based on quantum dynamics data, have revealed a particularly active chemistry in warm, irradiated regions. In the Orion Bar and d203-506, we reveal the detection of OH, CH+ and CH3+ as well as their excitation at formation, allowing us to constrain the chemistry in action. Indeed, OH rotational emission, previously modeled and detected in the mid-infrared, reveals the photodissociation of water. The near-infrared emission of OH and CH+ traces the formation and excitation of these species by chemical pumping via reactions with H2: X + H2 → XH* + H. These emission lines reveal a very active water formation and destruction cycle in d203-506 (O <=> OH <=> H2O), as well as the beginning of the carbon chemistry chain (C+ → CH+ → CH2+ → CH3+) in the PDR and disk. Excitation models have enabled us to identify the observed excitation processes and translate the measured line intensities into formation and destruction rates of these species. They also enable us to constrain the physical conditions of the medium, and can be used to determine locally, from the intensity of the observed lines, the intensity of the UV field (for the photodissociation of water) or the density of the gas (for prompt emission), which are essential ingredients determining the initial conditions of stellar and planetary formation. These new diagnostics will be key to the analysis of many JWST observations, since these processes are expected to be detected in a multitude of astrophysical objects with warm, irradiated regions (protostars, outflow, planetary nebulae, etc.)

Mon travail de thèse présente deux types de structures denses : des sources froides compactes détectées par Planck et des condensations denses dans une région de photodissociation (PDR), à savoir la Barre d’Orion. Les deux types de structures sont étroitement liées à la formation des étoiles. Les sources froides sont étudiées comme objets potentiellement gravitationnellement liés, c’est-à-dire comme objets préstellaires. La Barre d’Orion est intéressante en tant que PDR à fort champ UV (G0 ∼104) prototypique, avec plusieurs disques protoplanétaires connus, éclairés par les jeunes étoiles du Trapèze.D’abord, je présente un article publié dans A&A: The Physical state of selected cold clumps. Dans cet article, nous avons comparé les observations du continuum de la poussière par Herschel provenant de l’open time key program Galactic Cold Cores (Herschel) aux observations de raies moléculaires par le radiotélescope de 20-m de l’Onsala Space Observatory en Suède. Les objets ont été sélectionnés en fonction de leur luminosités et faibles températures de couleur des poussières (T∼10−15 K). Nous avons calculé les masses du viriel et de Bonnor-Ebert et les avons comparées aux masses déduites à partir des observations. Les résultats indiquent que la plupart des objets froids observés ne sont pas nécessairement préstellaires.Dans mon étude de la Barre d’Orion, j’utilise des observations de l’instrumentPACS d’Herschel du programme Unveiling the origin and excitation mechanisms of the warm CO, OH and CH+ . Je présente des cartes de 110” ×110” du cation méthylidyne (CH+ J=3-2), des doublets de OH à 84 μm, et des raies de CO á hauts J (J=19-18). C’est la première fois que ces traceurs des PDR ont présentés avec une telle résolution spatiale et un tel rapport signal-sur-bruit.La répartition spatiale de CH+ et OH montre la même structure de la Barre qui a été vue dans d’autres observations. La morphologie du CH+ et H2 confirme que la formation et l’excitation de CH+ est fortement dépendante du H2 excité vibrationnellement. Le maximum d’émission de OH84 μm correspond à un objet brillant jeune, identifié comme le disque protoplanetaire 244-440.Je présente également des transitions rotationnelles de CO de moyenne (∼20 K) et haute (∼1000 K) énergie. La morphologie de l’émission du CO rotationnellement excité est corrélée avec la présence des petites structures denses irradiées. Nous établissons le lien entre le coeur de ces structures, tracé en CS J=2-1 par Lee et al. (2013) et H 13 CN par Lis and Schilke (2003) et le bord de la PDR, tracé en CO J=19-18 et le H 2 vibrationnellement excitée. Nous montrons également que le CO est principalement excité par le chauffage UV
In this thesis I present a study of two kinds of dense ISM structures: compact cold sources detected by Planck and dense condensations in a photodissociation region (PDR), namely the Orion Bar detected by ground-based and Herschel telescopes. Both kinds of structures are closely related to star formation. The cold sources are investigated as potentially gravitationally bound, prestellar, objects. The Orion Bar is a highly FUV-illuminated (G0=104) prototypical PDR, with several known protoplanetary disks, illuminated by the young Trapezium stars.First I introduce a paper published in A&A: The Physical state of selected cold clumps. In this paper we compared the Herschel dust continuum observations from the open time key program Galactic Cold Cores to ground based molecular line observations from the 20-m radio telescope of the Onsala Space Observatory in Sweden. The clumps were selected based on their brightness and low dust color temperatures (T=10-15 K). We calculated the virial and Bonnor-Ebert masses and compared them to the masses calculated from the observations. The results indicate that most of the observed cold clumps are not necessarily prestellar.Then I move on to the warm and dense condensations of the ISM. In my study of the Orion Bar, I use observations from PACS instrument on board Herschel from the open time program Unveiling the origin and excitation mechanisms of the warm CO, OH and CH+. I present maps of 110”x110” of the methylidyne cation (CH+ J=3-2), OH doublets at 84 µm, and high-J CO (J=19-18). This is the first time that these PDR tracers are presented in such a high spatial resolution and high signal-to-noise ratio. The CH+ and OH have critical densities (1010 cm-3) and upper level energy temperatures (250 K). In addition the endothermicity of the CH+ + H2 reaction (4300 K) that forms CH+ is comparable to the activation barrier of the O + H2 reaction (4800 K) forming OH. Given these similarities it is interesting to compare their emission. The spatial distribution of CH+ and OH shows the same clumpy structure of the Bar that has been seen in other observations. The morphology of CH+ and H2 confirms that CH+ formation and excitation is strongly dependent on the vibrationally excited H2, while OH is not. The peak in the OH 84 µm emission corresponds to a bright young object, identified as the externally illuminated protoplanetary disk 244-440.Finally, I study the high-J CO in the Orion Bar. I also introduce low- and mid-J CO observations of the area. The high-J CO morphology shows a clumpy structure in the Bar and we establish a link between the dense core of the clumps, traced in CS J=2-1 by Lee et al. (2013) and in H13CN by Lis and Schilke (2003). We also show that the high-J CO is mainly excited by the UV heating

The work presented in this thesis is dedicated to the study of the physical properties of photodissociation regions (PDRs), the surface layers of molecular clouds which are irradiated by ultraviolet radiation. The structure of PDRs is investigated with the development of an analytical model which incorporates the essential heating and cooling mechanisms in a PDR. The main parameters in the model are the density and the incident ultraviolet radiation field, above the ambient value in the solar neighbourhood, impinging on the surface (G₀) which dissociates the molecules in the PDR. It is demonstrated that when the ratio (n/G₀) is high (> 100 cm^-3) the attenuation of ultraviolet photons is dominated by H₂ self shielding which brings the HI/H₂ transition zone close to the surface of the cloud (A_{v <} 1). When the ratio is of order unity then the attenuation of ultraviolet photons is dominated by dust grains in the PDR. In this case, the HI/H₂ transition zone occurs at a depth of A_{v ~ 2 - 3. Images of the PDR in the northern bar of M17 show that there is a spatial coincidence, accurate to} ~ 1 arcsec, of the H₂ and 3.28 μm emission regions (the 3.28 μm emission being a tracer of the hot edge of the PDR delineated by the HII/HI transition) placing a lower limit to the density in the clumps of 10⁵ cm^-3. This coincidence is also observed in other PDR sources (eg. NGC 2023) and can be readily explained if the sources are clumpy. It is not clear in the northern bar of M17, where G_{0 ~ 10}^4, whether shielding by dust or H_2 molecules is dominating the attenuation of ultraviolet photons. A uniform, high density PDR model is sufficient to reproduce the observed H_2 line intensity, however the images clearly reveal structures at the 2 arcsec level suggesting that a clumpy model is a realistic solution.

Kyoto University (京都大学)
0048
新制・課程博士
博士(理学)
甲第11313号
理博第2871号
新制||理||1429(附属図書館)
22956
UT51-2005-D64
京都大学大学院理学研究科物理学･宇宙物理学専攻
(主査)教授 嶺重 慎, 教授 中村 卓史, 助教授 鶴 剛
学位規則第4条第1項該当

Les hydrocarbures forment l'ossature de la chimie interstellaire en phase gazeuse. Pour autant, la distribution et l'abondance de ces espèces ne sont connues que dans une poignée d'objets. Après avoir introduit quelques notions d'astrochimie, nous nous intéressons dans la deuxième partie de cette thèse à l'étude des hydrocarbures dans les nuages sombres. Nous montrons d'abord -- à l'issue d'un travail consacré au nuage TMC-1 -- que le rapport d'abondance des isomères cyclique et linéaire de la molécule C3H2 dépend de la fraction électronique dans le gaz et pourrait donc être utilisé comme sonde de cette quantité. Nous soulignons aussi que les molécules C6H et l-C3H2, rarement observées jusqu'ici, sont communes dans les nuages sombres. Nous montrons enfin que les hydrocarbures sont présents dans l'enveloppe du nuage L134N et que leurs abondances correspondent à celles d'une chimie riche en carbone. La troisième partie est consacrée à l'observation d'hydrocarbures dans trois régions de photodissociation, dont la nébuleuse de la Tête de cheval. Les cartes que nous avons réalisées montrent que les hydrocarbures sont présents en abondance dans les zones soumises au champ ultraviolet. En outre, leur émission est spatialement corrélée à celle des PAH. Nous remarquons que les modèles de chimie en phase gazeuse échouent à reproduire ces propriétés puis soulignons que la photoérosion des PAH -- non prise en compte actuellement -- semble pouvoir former des hydrocarbures à un taux suffisant pour réconcilier modèles et observations.

A parameter based study has been carried out in order to investigate advection in photodissociation regions (PDRs) by using plane-parallel, semi-infinite assumption. The PDR material has been assumed to be advected from the molecular cloud towards the cloud surface with an initial flow velocity of 1 km s(^-1). The flow velocity, number density and mass density of the gas have been computed self-consistently as a function of visual extinction A(_u). The total cloud size has been assumed to be A(_u) = 10 mag. The models have been constructed for the radiation and density parameters, x = 10, 10(^3), 10(^5) with respect to Draine field and n(_H) = 10(^4), 10(^5), 10(^6) cm(^-3) respectively. In addition to 9 models characterized by these parameters, another model with X = 10(^2) and n (_H) = 10(^4) cm (^-3) has been studied in order to compare the results to the previously obtained by Bergin et al. (2003). The rotational line intensities of 0-H(_2)O and p-H(_2)O have been computed. The effects of advection in PDR structure, abundance profiles and line intensities of H(_2)O have been investigated. The lower density, lower radiation models among the models studied have been found to be effected by advection, significantly. H(_2)O abundance profile has been found to be effected by advection even in the models in which the PDR structure and the location of H/H(_2) transition zone are the least effected compared to the other models. The intensity of o-H(_2) O have been found to be sensitive to the order of magnitude of the flow velocity. It is concluded that the comparison of these results to the data from future observations with Herschel HIFI can provide information about the characteristics of the flow in nonequilibrium PDRs. This thesis includes observational work of depletion of NO in pre-protostellar cores, L1544 and L183. NO has been found to show depletion characteristics intermediate between the C-containing and N-containing species.

Les poussières interstellaires sont des particules solides dont les tailles sont comprises entre le nanomètre et le micron. Bien que représentant une faible proportion en masse du milieu interstellaire, elles jouent un rôle essentiel dans son évolution et de façon générale dans l'évolution des galaxies. Les poussières interstellaires sont observables dans les domaines UV et visible en extinction et de l'infrarouge au submillimétrique en émission. La conduite d'observations astrophysiques conjuguée au développement de modèles numériques de poussières et à l'étude d'analogues de grains en laboratoire permet d'affiner notre connaissance de ces particules solides. En particulier, il existe aujourd'hui de nombreuses preuves d'une évolution des grains dans le milieu interstellaire. Cependant, les processus physiques responsables de cette évolution sont aujourd'hui encore mal connus. Afin de comprendre comment évoluent les grains avec les propriétés physiques, il est nécessaire d'observer les poussières dans différents environnements. Les régions de photodissociation (PDR) sont des zones du milieu interstellaire présentant l'avantage de voir leur champ de rayonnement et leur densité locale varier sur de faibles échelles spatiales (~10- 20 arcsec). De plus, la grande variété de traceurs du gaz permet de contraindre efficacement les conditions physiques dans les PDR. Toutefois, l'émission des grains à l'équilibre thermique dans les PDR, qui domine l'émission dans l'infrarouge lointain, n'était que rarement résolue spatialement. Les instruments PACS et SPIRE, à bord de l'observatoire spatial Herschel, permettent aujourd'hui de disposer d'observations spectro-photométriques entre 70 et 500 µm, dont la résolution spatiale (comprise entre 5 et 35 arcsec) en fait des données idéales pour l'étude de l'évolution des poussières dans les PDR. Nous présentons l'analyse des observations Herschel de trois PDR, la Barre d'Orion, la Tête de Cheval et la NGC 7023 Est, caractérisées par des conditions physiques différentes. En combinant ces données aux observations Spitzer, nous pouvons étudier simultanément l'émission des poussières entre 3.6 et 500 µm à différentes positions de la PDR. Pour cela, des profils d'intensité reliant l'étoile à la PDR sont extraits à chaque longueur d'onde puis comparés spatialement. Un décalage de la position du pic d'émission dû au transfert radiatif est observé : plus la longueur d'onde est grande, plus le pic est éloigné de l'étoile excitatrice. Par contre, la comparaison entre les profils d'intensité observés et ceux calculés à partir d'un code de transfert de rayonnement couplé à un modèle de poussières correspondant aux propriétés du milieu interstellaire diffus révèle des différences liées à une évolution des grains pour chaque PDR étudiée. A la vue des écarts, nous concluons que l'abondance des PAH, plus petite composante de grains interstellaires, est plus faible dans les PDR que dans le milieu diffus suggérant la présence d'un phénomène de photo-destruction et/ou d'agrégation des PAH sur les gros grains dans les PDR. Ceci pourrait être accompagné d'une augmentation d'émissivité des gros grains liée à un mécanisme de coagulation. Les observations Herschel des PDR nous offrent également l'opportunité de nous intéresser aux variations du spectre des grains à l'équilibre thermique avec le rayonnement au travers des PDR. Un ajustement d'une loi de corps noir modifié permet d'extraire une épaisseur optique, une température et un indice spectral des grains. L'étude de ces deux derniers paramètres révèle une anticorrélation confirmant ainsi des travaux précédents. Cependant, la comparaison de la dépendance de la température et de l'indice spectral dans différentes régions montre différents comportements et exclut une dépendance universelle entre ces deux paramètres. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives quant à l'étude de l'évolution des poussières dans le milieu interstellaire.

L'oxygene est l'un des elements les plus abondants dans le milieu interstellaire. Il est par consequent primordial de chercher a comprendre sa chimie et sous quelle forme il se trouve dans les differentes phases de ce milieu. Les contraintes imposees par les observations SWAS et ISO representent un defi pour les theoriciens car elles mettent en defaut les modeles etablis jusqu'a ce jour. Sous quelles formes se trouvent l'oxygene dans les nuages moleculaires et quelles sont les principales especes porteuses d'oxygene responsables du refroidissement? L'oxygene atomique est l'un des principaux agents de refroidissement du milieu interstellaire a travers ses transitions fondamentales dans l'infrarouge. Je presenterai dans un premier temps les outils utilises au cours de mon travail de recherche et particulierement l'instrument ISO/LWS utilise pour les observations de l'oxygene atomique. J'introduirai alors les observations obtenues en direction de complexes de formations d'etoiles (regions HII) lointaines dans notre Galaxie. Le rayonnement ultraviolet lointain des etoiles massives illumine et photo-dissocie la matiere environnante en creant une region de photo-dissociation (PDR). Les raies infrarouges emises par le gaz dans ces regions ([OI] 63 microns, [OI] 145 microns et [CII] 158 microns) dominent le refroidissement dans le milieu interstellaire. L'absorption du rayonnement continu intense emit par ces regions sur la ligne de visee va permettre de tracer les nuages moleculaires presents dans les bras spiraux de la Galaxie. Je presenterai le travail de modelisation des spectres infrarouges en direction de deux PDRs spectaculaires W49N et Sagittarius B2 afin de caracteriser a la fois la PDR emettrice et les nuages moleculaires presents sur la ligne de visee. Une des conclusions de ce travail, en desaccord avec les modeles theoriques, implique que la majeure partie de l'oxygene en phase gazeuse dans les nuages moleculaires se trouve sous forme atomique. Ces observations sont en accord avec celles du satellite SWAS qui montrent que l'abondance du dioxygene (O2) est beaucoup plus faible que celle predite par les modeles. Ces resultats devraient permettre de mieux contraindre les futurs modeles theoriques. Ce travail a permis de mettre en evidence le caractere spectaculaire du complexe de formation d'etoiles W49N qui apparait comme l'une des regions HII les plus lumineuses de la Galaxie. Cette region est tres jeune et les proto-etoiles massives recemment formees et enfouies dans leur cocon n'ont pas eu le temps de disperser les nuages moleculaires environnants.

Les conditions de formation des étoiles est un sujet central en astrophysique. Le taux de formation stellaire (SFR) est relié à la masse de gaz moléculaire par la relation de Schmidt-Kennicutt. Une étoile modifie son nuage parent grâce aux vents, jets et à son rayonnement, balayant son environnement, détruisant des sites de formation d’étoiles, mais pouvant aussi en compresser et déstabiliser, déclenchant la formation de nouvelles étoiles. Ma thèse s’est concentrée sur la rétroaction radiative, largement dominée par celle des étoiles massives. Cela crée une région ionisée en expansion au plus près de l’étoile, suivie d’une région où l’hydrogène moléculaire est dissocié (photodissociation region en anglais, ou PDR), trop chaude pour former des étoiles. De nombreux modèles physico-chimiques des PDRs cherchent un état stationnaire, négligeant la dynamique du gaz. Des observations Herschel en CO excité et ALMA (Atacama Large Millimeter Array) en CH+ et SH+ ont changé la vision stationnaire de la structure des PDRs en soulignant le rôle de la dynamique du gaz. Le bord des nuages se trouve être à haute pression, fortement corrélée à l’intensité du champ UV incident. Le mécanisme de photo-évaporation peut reproduire ces caractéristiques: avec l’évaporation à haute vitesse du gaz chaud ionisé, l’effet fusée fait se propager une onde de pression dans le nuage, expliquant les hautes pressions observées. Par l’érosion du nuage, la frontière avec le milieu ionisé, le front d’ionisation (IF), avance dans le milieu neutre. Les modèles PDRs tant numériques que théoriques doivent être mis à jour pour prendre en compte cette propagation de l’IF. Nous avons d’abord construit un modèle semi-analytique de la transition entre le gaz atomique et moléculaire (H/H2) tenant compte de l’avancement de l’IF. Nous avons montré que la largeur de la région atomique est réduite comparé à des modèles statiques. Elle peut même disparaître si la vitesse de l’IF dépasse une valeur seuil, menant à la fusion de l’IF et de la transition H/H2. Nous avons trouvé des formules pour estimer ce seuil ainsi que la colonne densité totale de H atomique. En comparant notre théorie avec des observations de PDRs, nous avons montré que les effets de la dynamique sont forts, en particulier pour les PDRs faiblement illuminées comme la nébuleuse de la Tête de Cheval. En préparation des observations JWST de H2, nous avons implémenté le calcul des populations des niveaux de H2 dans le code Hydra, un code hydro-dynamique dépendant du temps modélisant les PDRs en photo-évaporation. L’étude précédente nous a permis de conclure que les effets dynamiques amène du H2 dans une région plus chaude et plus illuminée. Le rapprochement de la transition H/H2 réduit l'intensité absorbée par les poussière, qui est alors convertie en pompage UV de H2 (amplification d'un facteur 6 trouvé pour la Barre d'Orion mais peu efficace dans la Tête de Cheval). En addition, nous avons étudié des observations ALMA de la Tête de Cheval à haute résolution spatiale montrant une grande proximité entre l’IF et la molécule CO, présente habituellement profondément dans le nuage. Nous trouvons une borne supérieure à la largeur de la région atomique à quelques centaines d’unités astronomiques. Nous trouvons que le code PDR statique et stationnaire de Meudon reproduit la largeur de la région atomique sous la contrainte, tout comme les modèles dynamiques. Ces observations ne permettent donc pas de contraindre les effets dynamiques.Nous avons effectué une étude d’observations à haute résolution spectrale de raies d’émission de H2 faites par le spectrographe IGRINS. Nous montrons que les rapports de raies contraignent peu les conditions physiques, mais que le peuplement des états de H2 est fortement influé par des relaxations induites par collision, contrairement à l'image classique d'une cascade majoritairement radiative après pompage UV
The conditions of formation of stars is a fundamental question of astrophysics. The star formation rate (SFR) is linked to the mass of molecular gas by the Schmidt-Kennicutt relation. However, a star applies some feedbacks on its parent cloud in the form of winds, jets and radiation. They sweep their environment, destroying other star formation sites, but can also compress and destabilize them, triggering the formation of new stars. My thesis focused on the radiative feedback, which is vastly dominated by the one of massive stars. It creates an expanding region where the gas is ionized close to the star, followed by a region where the chemistry is dominated by photons capable of dissociating molecular hydrogen (photodissociation region, or PDR) which includes a layer of atomic hydrogen, which is too hot to form stars. Its width informs us about the fraction of gaz unable to form stars. Numerous models describe the physics and chemistry of PDRs by looking for a stationary state, and neglecting the gas dynamics. However, new observations made by Hershel in excited CO, and by the Atacama Large Millimeter Array (ALMA) in CH+ and SH+ have changed the stationary vision of PDR structure by highlighting the role of the gas dynamics. The edge of clouds is found to be a high-pressure environment, which is strongly correlated to the impinging UV field intensity. The photo-evaporation mechanism is capable of reproducing those features: with the high-speed evaporation of hot ionized gas, the rocket effect makes a pressure wave propagate inside the cloud, explaining the high pressures observed. By the erosion of the cloud, the border withe the ionized medium, the ionization front (IF) advances into the neutral medium. PDR models have to be updated to take into account the propagation of the IF.We built a semi-analytical model of the transition between atomic and molecular gas (H/H2) including the advancing IF. We obtained that the width of the atomic region is reduced compared to static models. It can also disappear if the IF velocity exceeds a threshold value, leading to the merging of the IF and the H/H2 transition. We found analytical formulas to estimate this threshold as well as the total column density of atomic H. By comparing our theory to PDRs observations, we showed that the dynamical effects are strong, especially in the case of weakly illuminated PDRs such as the Horsehead.To prepare for the JWST observations of H2, we have implemented the computation of H2 levels in the Hydra code, which is a hydro-dynamic, time dependent code that models the physics and chemistry of photo-evaporating PDRs. The precedent study allowed to conclude that dynamical effects bring some H2 in a hotter and more illuminated region. The reduction of the IF-H/H2 distance reduces the intensity absorbed by dust, which is then converted to UV-pumping of H2 (amplification by a factor 6 for the Orion Bar, but not efficient in the Horsehead).In addition, we studied ALMA observations of the Horsehead with high spatial resolution. They show a great proximity between the IF and the CO line emission, usually present deep in the cloud. We find an upper limit of a few hundred astronomical units for the width of the atomic region. We find that isobaric, static and stationary Meudon PDR models reproduce the width of the atomic region within the limit found, and so does the dynamical models. These observations therefore do not allow us ton constrain dynamical effects.We performed a study on high spectral resolution observations of rotation-vibration lines of H2 made by the IGRINS spectrograph. We show that the line ratios do not constrain well the physical conditions, but that the population of the states of H2 are much influenced by relaxation rates induced by collisions, unlike the classical picture of a cascade mainly dominated by radiation after the UV pumping

Le milieu interstellaire (MIS) joue un rôle important dans l'évolution des galaxies. Les radiations et vents stellaires, ainsi que les supernovae par exemple, sont à l'origine de nombreux processus ayant un impact sur les propriétés globales des galaxies. Cependant, l'efficacité des ces processus est liée aux propriétés et à la structure des différentes phases du MIS, et est souvent incertaine. Grace à la sensibilité et résolution accrues des nouveaux télescopes observant dans l'infrarouge lointain (FIR) et le submillimetrique (comme par exemple le Herschel Space Observatory, SOFIA et ALMA), il est désormais possible d'étudier en détail les interactions réciproques entre la formation stellaire et les différentes phases du MIS environnant. Ce travail est axé sur les propriétés physiques du gaz dans les Nuages de Magellan. Le Grand Nuage de Magellan et le Petit Nuage de Magellan, nos plus proches voisins, tout deux à métallicité sub-solaire, sont de bons laboratoires pour étudier les interactions entre la formation stellaire et l'environnement. La région 30 Doradus, dans le Grand Nuage de Magellan, l'une des plus massives et des plus actives régions de formation stellaire connues dans notre voisinage, est étudiée en détail. Les observations des télescopes spatiaux Herschel et Spitzer sont utilisées pour contraindre la pression, le champ de radiation ainsi que la structure tri-dimensionnelle des régions de photo-dissociation (PDR), en combinaison avec le code PDR de Meudon. Cette modélisation permet également d'estimer la fraction de gaz moléculaire qui n'est pas détectée par le traceur généralement utilisé CO. Cette méthode est ensuite appliquée à d'autres régions de formation stellaire dans les Nuages de Magellan, présentant différents environnements. Cette étude permet d'évaluer les diagnostiques clés du chauffage et du refroidissement du gaz à faible métallicité dans des régions actives de formation stellaire, avec une bonne résolution spatiale. Ceci constitue une première étape pour mieux comprendre les observations non résolues de telles régions dans des galaxies lointaines
The interstellar medium (ISM) plays a major role in galaxy evolution. Feedback from stars, in particular, drives several processes responsible for the global properties of a galaxy. However, the efficiency of these processes is related to the properties and structure of the different gas and dust ISM phases and remains uncertain. Due to the increased sensitivity and resolution of the new far-infrared (FIR) and submillimeter facilities (such as the Herschel Space Observatory, SOFIA and ALMA, in particular), it now becomes possible to study in detail the interplay between star formation and the surrounding ISM phases. This work focuses on the physical properties of the gas in the Magellanic Clouds. The Large Magellanic Cloud and the Small Magellanic Cloud, our closest neighbors, both at subsolar metallicity, are good laboratories to study the interaction between star formation and environment.The 30 Doradus region, in the Large Magellanic Cloud, one of the most massive and active star forming region known in our neighborhood, is first studied in detail. We use the FIR and mid-infrared tracers, provided by the space telescopes Herschel and Spitzer, to bring constrains on the pressure, radiation field and 3D structure of the photo-dissociation regions (PDR) in this extreme region, using the Meudon PDR code. This modeling allows us to estimate the fraction of molecular gas not traced by CO, also known as the "CO-dark" molecular gas.We apply this method to other star forming regions of the Magellanic Clouds, which are characterized by different environmental conditions. This study allows us to evaluate key diagnostics of the gas heating and cooling of low metallicity resolved starburst regions. This is a first step toward understanding similar but unresolved regions, in high-redshift galaxies

碩士
國立中央大學
化學研究所
96
Our experiment is aimed to investigate, including for the nitrogen absorption and fluorescence in the 45-60 nm region, atomic emission in particular wavelengths from 46.4 to 61.7 nm, and nitrogen resonance fluorescence of c4’(0) and b(1) states. We employed the light source at the Seya, U9 and high flux beamlines of National Synchrotron Radiation Research Center in Hsin-Chu, and measure two channels of fluorescence and one of nitrogen absorption in uv-visible (180-650 nm) and VUV (115-320nm ) by using PMTs. In 12-25 eV, the VUV fluorescence, observed clearly in higher resolution than one of P. Erman, is produced by the Codling Rydberg states, converging to C 2Σu+ nsσg state with n= 4, 5 of N2+ C-X emission and D2Πgi nlλ state with n=3 of N2+ D-A emission. All these spectra are compared with the absorption spectrum in 45-50 nm and 50-55 nm regions that we focus. In the history of nitrogen spectra, we observed directly resonance fluorescence of c4’(0) and b(1) state and atomic emission produced by the photofragment with the combination of the multichannel plate(MCP) and position sensitive detector(PSD) at the synchrotron radiation facility. Speaking of atom emission, it is also shown on MCP in some particular wavelengths from 98 nm to 150 nm when excited nitrogen atoms (2P, 4P, 4D) are produced. Finally, we conclude the cause and find the result of the spectra in this thesis.