Topic description
La phase préstellaire est une phase pivot de la formation d'étoiles. Les coeurs préstellaires, condensations de gaz et de poussières caractérisées par des températures très basses, constituent les conditions initiales de formation stellaire. Ces objets s'effondrent sur eux-même par action de la gravité et donnent ainsi naissance aux protoétoiles, qui évoluent pour former des étoiles entourées de systèmes planétaires. Une question majeure est de comprendre dans quelle mesure la composition des systèmes planétaires est influencée par la composition aux premiers stades de formation d'étoiles.
Une des méthodes à notre disposition pour aborder cette question consiste à observer des traceurs du gaz, déterminer les rapports de différents isotopes de ces traceurs, et à suivre les rapports isotopiques (par exemple 12C/13C) aux phases clés de l'évolution protostellaire. Pour le carbone, différentes valeurs de rapport 12C/13C ont été mis en évidence dans le milieu interstellaire (Lucas et Liszt, Sakai et al. ). L'une, proche de 70, est observée dans les molécules comme le CO ou formées à partir du CO, tandis que les molécules possédant des chaînes carbonées (par exemple CCH) sont très appauvries en 13C (Furuya et al. ). Ces résultats semblent se retrouver aux stades ultérieurs de la formation stellaire et planétaire (Bergin et al., Zhang et al. ).
Ces rapports isotopiques dépendent des mécanismes de formation des espèces constituant le gaz, qui dépendent eux-mêmes des conditions physiques. L'inhomogénéité des conditions physiques dans les objets considérés complique néanmoins leur mesure, en particulier du fait de la présence de gradients de conditions physiques. Ainsi les études effectuées jusqu'à présent ne se sont intéressées qu'aux valeurs des rapports isotopiques moyennées le long de la ligne de visée.
Le travail de thèse proposé consiste à analyser des spectres des traceurs de gaz abondants du milieu interstellaire, le formaldéhyde (H2CO) et le méthanol (CH3OH), dans un échantillon de coeurs préstellaires, afin d'en déterminer les rapports isotopiques 12C/13C et d'étudier leur variation avec les conditions physiques (densité, température, champ de rayonnement). Ce travail se basera sur Les observations à notre disposition sont des cartes de spectres (provenant du télescope de 30m de l'IRAM) de différentes transitions rotationnelles. Ces espèces permettent de tracer aussi bien des régions denses et froides (coeurs préstellaires) que les filaments moins denses et plus chauds qui les enveloppent, sans émettre dans les régions les plus externes des nuages moléculaires. Les cartes déjà obtenues couvrent un coeur préstellaire et son filament et offrent la possibilité de sonder toute une gamme de conditions physiques. Le travail consistera à modéliser les cartes pour récupérer l'information le long de la ligne de visée (suivant la 3ème dimension), afin d'obtenir les valeurs locales du fractionnement isotopique. L'analyse sera ensuite étendue à des sources plus évoluées de la séquence de formation des étoiles (protoétoiles), et des comparaisons seront effectuées avec des mesures dans les disques protoplanétaires provenant d'un grand programme d'observations ALMA et les modèles de chimie (e.g. Hily-Blant et al., Loison et al. ).
Une partie des outils nécessaires à cette analyse, tels que les codes de transferts de rayonnement, sont déjà disponibles. Par ailleurs, les méthodes permettant de déterminer la structure physique et chimique le long de la ligne de visée seront optimisées. En particulier, les techniques d'intelligence artificielle, actuellement en cours de développement au sein de l'équipe de thèse, pourront être perfectionnées et intégrées dans cette démarche.
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The prestellar phase is a pivotal phase in star formation. Prestellar cores are condensations of gas and dust characterised by very low temperatures which represent the initial conditions for star formation. These objects collapse under their own gravity, giving rise to protostars, which evolve to form stars surrounded by planetary systems. A major timely question is to what extent the composition of planetary systems is influenced by the composition in the early stages of star formation.
One of the methods to address this question is to observe gas tracers, determine isotopic ratios of these tracers, and follow these isotopic ratios (for example 12C/13C) at key phases of protostellar evolution. For carbon, different 12C/13C ratio values have been identified in the interstellar medium (Lucas and Liszt, Sakai et al. ). One of these values is observed in molecules such as CO or formed from CO is close to 70, while molecules with carbon chains (e.g. CCH) are very depleted in 13C (Furuya et al. ) and have much larger 12C/13C ratios. Recent measurements at later stages of star and planet formation seem to give similar results (Bergin et al., Zhang et al. ).
The isotopic ratios depend on the formation mechanisms of the species making up the gas, which in turn depend on the physical conditions. However, the inhomogeneity of the physical conditions in the objects considered complicates their determination, in particular because of the presence of gradients in physical conditions. As a result, the studies carried out to date have only looked at isotopic ratio values averaged along the line of sight.
The proposed thesis work consists of analysing the spectra of abundant gas-phase tracers in the interstellar medium, formaldehyde (H2CO) and methanol (CH3OH), in a sample of pre-stellar cores, in order to determine their 12C/13C isotopic ratios and to study their variation with physical conditions (density, temperature, radiation field). The observations available to us are spectral maps (from the IRAM 30m telescope) of different rotational transitions. These species make it possible to trace both dense, cold regions (prestellar cores) and the less dense, hotter filaments that surround them, without emitting in the outermost regions of the molecular clouds. The maps already obtained cover one prestellar core and its filament, and offer the possibility to probe a whole range of physical conditions. The work will involve modelling the maps to recover information along the line of sight (in the 3rd dimension), in order to obtain local values of the isotopic fractionation. The analysis will then be extended to more evolved sources from the star formation sequence (protostars), and comparisons will be made with measurements in protoplanetary disks from an ALMA large programme and chemistry models (Hily-Blant et al., Loison et al. ).
Some of the tools needed for this analysis, such as radiation transfer codes, are already available. In addition, the methods for determining the physical and chemical structure along the line of sight will be optimised. In particular, artificial intelligence techniques, which are currently being developed within the thesis team, could be improved and integrated in this approach.
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Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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