Effondrement et fragmentation des cœurs denses préstellaires : étude de la formation des disques protostellaires

Collapse and fragmentation of prestellar dense cores : study of protostellar disks formation

• Auteur / Autrice : Marc Joos
• Direction : Patrick Hennebelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétohydrodynamique

Formation stellaire

Mots clés libres

Etoiles de faible masse

Disques protostellaires

Simulations numériques

Turbulence

Résumé

De par le rôle central que jouent les étoiles dans l’astrophysique moderne, la compréhension de leur formation est un des principaux enjeux actuels de la discipline. Les étoiles se forment dans les nuages de gaz du milieu interstellaire. Ce milieu est magnétisé et turbulent ; la formation des étoiles est ainsi un phénomène complexe, non-linéaire et multi-échelle. Dans ce contexte, les processus de formation stellaire, et en particulier la formation des disques protostellaires et des systèmes multiples—c’est à dire d’étoiles liées gravitationnellement—sont encore mal compris. Les simulations numériques sont donc essentielles pour permettre de faire progresser notre connaissance de ces phénomènes. Ce travail de thèse se divise en deux parties, dédiées à l’étude des phases précoces de la formation des étoiles. La première partie sera centrée sur les simulations numériques que j’ai réalisées durant ma thèse, pour étudier la formation des disques protostellaires et des systèmes multiples. Le champ magnétique, lorsqu’il est suffisamment intense, est à l’origine d’un transport efficace du moment cinétique, qui peut empêcher la formation des disques protostellaires et inhiber la fragmentation du coeur. Sera d’abord présentée une étude analytique et numérique montrant l’importance de la géométrie de l’effondrement sur le transport du moment cinétique. En effet, lorsque le champ magnétique et l’axe de rotation du coeur préstellaire ne sont pas alignés, le freinage magnétique se révèle moins efficace, pouvant permettre la formation des disques. L’influence de la turbulence sur la diffusion du champ magnétique, la formation des disques, la fragmentation et les flots bipolaires — traceurs importants de la formation stellaire—sera ensuite étudiée. La turbuence permet de diffuser efficacement le champ magnétique des régions internes du coeur en effondrement et provoque également un basculement de l’axe de rotation du coeur, ce qui réduit le freinage magnétique. Des disques massifs peuvent alors se former et fragmenter. La deuxième partie de ce manuscrit se concentrera sur des observations synthétiques réalisées à partir de nos simulations. Trois types d’observations synthétiques ont été réalisées : des cartes en densité de colonne, des distributions spectrales d’énergie ainsi que des amplitudes de visibilité. Ces observations seront comparées à des modèles analytiques, suivant une procédure habituellement utilisée dans les études observationnelles, afin de tenter d’en déduire les propriétés des disques

Stars play a central role in modern astrophysics. To understand how stars form is therefore fundamental for the field. Stars form in gas clouds in the interstallr medium. This medium is magnetized and turbulent; star formation is therefore a complex, highly non-linear and multiscale problem. In this context, star formation processes are still not well-known, and particularly protostellar disk and multiple stars – which means stars that are gravitationaly bound – formation. Numerical simulations are crucial to have a better insight of these processes. This work is divided in two main parts, dedicated to the study of the first phases of star formation. The first part presents the numerical simulations I performed during my thesis to investigate protostellar disks and multiple star system formation. When the magnetic intensity is strong enough, it could prevent both protostellar disks formation and fragmentation through an efficient angular momentum transport process. I first develop an analytical and numerical study to show the key role played by the geometry of the collapse on the angular momentum transport processes. When the rotation axis of the prestellar core and the magnetic field are misaligned, magnetic braking is less efficient and massive disks formation is restored. The influence of turbulence on magnetic diffusion, disk formation, fragmentation and outflows – one of the most important tracers of star formation – is then discussed. Turbulence is responsible for an efficient magnetic diffusion in the central regions of the collapsing core as well as for a misalignment between the rotation axis and the magnetic field. Magnetic braking is thus efficiently reduced, and both massive disks formation and fragmentation may happen. The second part is dedicated to synthetic observations performed from our numerical simulations. Three different types of synthetic observations were performed: column-density maps, spectral energy distributions and visibilities. Following a classic analysis performed in observational studies, these observations will be compared to analytical models to try to deduce disk properties