Structure chimique 3D du milieu interstellaire turbulent : simulations et observations

par Elena Bellomi

Projet de thèse en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Michel Perault, Benjamin Godard et de Patrick Hennebelle.

Thèses en préparation à l'Université Paris sciences et lettres , dans le cadre de Astronomie et Astrophysique d'Ile-de-France , en partenariat avec Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure (laboratoire) et de Observatoire de Paris (établissement opérateur d'inscription) depuis le 01-10-2017 .


  • Résumé

    Les étoiles se forment par effondrement gravitationnel au sein des nuages moléculaires. Comprendre en détails les processus physiques qui régissent l'évolution de ces nuages est donc capital. La richesse et la complexité de ces processus rendent toutefois cette tâche délicate. En effet, les nuages moléculaires en plus d'être soumis à la gravité, sont le siège d'une turbulence magnéto-hydrodynamique fortement compressible. Par ailleurs la matière qui compose ces nuages (gaz et grains de poussière) est en constante interaction avec les sources de rayonnement externes (notamment UV) et les rayons cosmiques qui ont un impact déterminant sur sa composition chimique. Chacun de ces processus influe sur la dynamique des nuages et influe donc sur la formation des étoiles qui y prend place. Afin d'aborder ce problème dans toute sa complexité, il est donc nécessaire d'utiliser d'une part des simulations numériques intensives, seules capables de donner accès à la structure 3D multi-échelle des nuages moléculaires, et d'autre part des codes de résolution de réseaux chimiques complexes, seuls capables de calculer de manière cohérente la fraction moléculaire, le degré d'ionisation et le refroidissement du gaz. Jusqu'à récemment ces deux aspects étaient menés en parallèle et de manière indépendante. Récemment notre groupe a entrepris de coupler les deux approches en introduisant certaines espèces chimiques dans la simulation et en recalculant après coup les abondances de différentes autres espèces en chaque point. Cela conduit à une vision dynamique et plus cohérente du problème qui met en lumière la non-linéarité et la richesse des processus microphysiques à l'oeuvre. La thèse consistera à analyser en détails les différentes espèces chimiques produites dans le cadre d'une simulation du milieu interstellaire (obtenue avec le code à maillage adaptatif RAMSES), à comprendre les effets induits par la structure complexe des nuages moléculaires sur la chimie et à confronter ces prédictions aux multiples résultats observationnels issus des grands instruments.

  • Titre traduit

    3D chemical structure of the turbulent interstellar medium : simulations and observations


  • Résumé

    Stars form through gravitational collapse of molecular clouds. Understanding the details of the physical processes involved in the evolution of these clouds is therefore essential. However, the richness, intricacies, and multiple couplings of all these processes make such a task a difficult endeavor. Indeed, the structure of molecular clouds is not only controlled by gravity but also by the actions of the highly compressible magnetohydrodynamic turbulence. In addition, the matter that composes these clouds (gas and dust grains) is in permanent interaction with external sources of radiation (especially the UV photons) and the cosmic ray particles which have a critical impact on its chemical composition. Each of these processes has an influence on the dynamics of the clouds, and thus on the star formation. In order to treat all the aspects of the problem, it is therefore necessary to use, on the one side, extensive numerical simulations which give access to the 3D multi-scale structure of molecular clouds, and on the other side, complex astrochemical models which are able to coherently compute the molecular fraction, the ionization degree, and the cooling of the gas. Until recently, those two facets were treated in parallel and independently from each other. Recently our group has started to couple the two approaches by implementing the time-dependent evolution of a few chemical species in the simulation and by recomputing the abundances of other species at each point in post-treatment. This leads to a more dynamical and coherent treatment of the problem and sheds light on the non-linearity and the richness of the processes at work. The thesis will consist in analyzing in details the different chemical species produced in a simulation of the interstellar medium (obtained with the adaptative mesh refinement code RAMSES), understanding the effects of the complex structure of molecular clouds on the chemistry, and confronting these theoretical predictions to the large set of data collected by the new generation of astronomical instruments.