Stochastic processes in the interstellar medium

• Auteur / Autrice : Emeric Bron
• Direction : Jacques Le Bourlot, Franck Le Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et astrophysique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmochimie

Processus stochastiques

Matière interstellaire

Résumé

Mon travail de thèse a porté sur la modélisation du milieu interstellaire (MIS) froid, et plus particulièrement sur deux problèmes qui peuvent sembler sans lien au premier abord. Le premier concerne la formation de H2 sur les grains de poussière interstellaires. Il est en effet crucial de comprendre précisément le taux de formation de H2 et son abondance, dont dépend tout développement d'une chimie plus complexe, et qui contrôle également une partie de la physique du gaz interstellaire. Mais les petits grains (moins de 10 nm) sont sensibles à l'énergie des photons UV individuels et leur température fluctue donc constamment. Les processus de surface qui forment H2, étant sensibles à la température de la surface, sont alors maintenus hors d'équilibre par ces fluctuations, un effet très peu étudié jusqu'à présent. J'ai donc développé un formalisme exact de résolution de l'équilibre statistique de ce système, et implémenté sa résolution numérique. Entre autres résultats, la prise en compte des fluctuations cause d'importantes différences pour le mécanisme de Langmuir-Hinshelwood, avec une efficacité fortement augmentée dans le gaz atomique, et réduite à l'intérieur des nuages moléculaires. Le second problème est lié à l'omniprésence observée de molécules telles que CH+, dont la formation est très endothermique, dans le MIS diffus où les températures observées (moins de 100 K) sont insuffisantes pour permettre leur formation. Il a été proposé que l'énergie nécessaire à leur formation puisse provenir de la dissipation intermittente de la turbulence, créant des points chauds dans le gaz qui pourraient aussi expliquer l'excitation rotationnelle de H2 observée dans ces régions. Aux plus petites échelles de la cascade turbulente, le gaz est donc soumis à une injection d'énergie dont le taux fluctue fortement. Je propose un modèle de l'évolution lagrangienne de l'état physico-chimique du gaz basé sur des processus aléatoires, et montre son application au calcul de la distribution de température du gaz dans le milieu diffus atomique, ainsi qu'au calcul de l'excitation moyenne de H2 dans le milieu diffus moléculaire. Ces deux problèmes sont donc similaires à un niveau plus abstrait en ce qu'ils portent sur des systèmes dont l'état est perturbé par de grandes fluctuations de leur environnement. Afin de calculer l'équilibre statistique dans nos deux cas, des méthodes similaires sont utilisées, basées sur le formalisme des processus aléatoires (markoviens). Les résultats obtenus ici démontrent l'intérêt de la méthode, et des développements en vue d'autres applications sont discutés. Enfin, je présente également la modélisation à l'aide du code PDR de Meudon de la PDR NGC7023 Nord-Ouest. La comparaison à des observations Herschel montre l'excellente capacité du code PDR à reproduire les observables dans des PDR denses et intenses.