Understanding star formation along interstellar filaments : prestellar core properties from Herschel data

• Auteur / Autrice : Pedro Manzoni Palmeirim
• Direction : Philippe André
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Paris 7
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nuages moléculaires

Formation stellaire

Mots clés libres

Observation sub-millimétrique

Filaments interstellaires

Résumé

La formation stellaire est un phénomène complexe qui implique nombreux processus physiques agissant à partir des grandes échelles de la galaxie jusqu'aux les petites échelles de systèmes solaire individuels. La formation des étoiles de masse solaire est relative- ment bien connue mais les conditions initiales et la physique détaillé e des mécanismes qui conduisent à la formation de coeurs pré-stellaires quand ils entrent dans la phase d'effondrement et forment plus tard étoiles sont toujours mal compris. Ces dernières années, l'observatoire spatial Herschel, a produit des images dans le régime submillimétrique d'une grande sensibilité et courant une grande dynamique spatiale des observations dans le régime submillimétrique, a fourni une vision profonde et sans précédent du milieu interstellaire froid de notre Gàlaxie. Cela permis, pour la première fois, de sonder simultanément structures de basse densité et structures les plus denses compactes nuages moléculaires, par mesure de l'émission thermique de grains froids de poussière (T - 5 à 50 K). Au cours de cette thèse, j'ai fait un étude approfondie du filament principal du nuage moléculaire des Taureau, ou' les étoiles sont en cours de formation à partir des les données Herschel du programme clé ''Gould Belt survey'' (Principal investigateur: Philippe André). Le trois premiers chapitres de ce manuscrit sont dédiés à une introduction des éléments nécessaires à la compréhension des chapitres suivants. Dans le chapitre 1, j'aborde qui est connu et quelles sont les problématiques actuelles de thématique de la formation stellaire. Dans le chapitre 2, je résume les détails techniques des instruments du télescope spatial Herschel qui ont servi à recueillir les observations que j'ai utilisées dans cette thèse. Dans le chapitre 3, je présente une introduction du ''Herschel Gould Belt Survey'', en décrivant les principaux objectifs du projet, et en expliquant comment la densité de la colonne et les cartes de température de poussière sont déduites des observations. Je résume aussi les premiers résultats pertinents du projet qui ont servi de motivation à mon travail. L'exposition de mon travail est divisé en deux parties principales. La première partie (chapitre 4) est consacrée à l'étude de la structure filamentaire de la région du Taureau et la deuxième partie (chapitre 5) est dédiée à l'analyse détaillée de la structure en densité et en température de poussière des coeurs denses de la même région. Dans le chapitre 4, je présente ma première publication (Palmeirim et al. , 2013) sur l'analyse de la structure filamentaire dans la région B211/B213/L1495 du nuage moléculaire du Taureau et je discute l'importance des structures filamentaires pour le processus de formation des étoiles. Les images Herschel révèlent la structure du filament dense B211/3 avec une précision sans précédent, en même temps que la présence de stries (filaments de faible densité) perpendiculaires au filament dense et généralement orientées parallèlement, dans le domaine visible au infrarouge proche, à la direction du champ magnétique tracée par des vecteurs de polarisation optique. La structure en densité du filament B211/3 et le haut degré de symétrie entre les deux côtés du profil de densité indiquent que la gravité joue un rôle dominant dans ce filament. De plus, la masse par unité de longueur supercritique suggère que le filament est gravitationnellement instable et devrait donc avoir tendance à se contracter radialement et se fragmenter en coeurs denses. Nous avons également soulignent que les profiles de densité et de température du filament B211/3 sont en accord avec un modèle théorique d'un filament cylindrique subissant contraction gravitationnelle. La morphologie de la carte de densité de colonne, ou' certaines des stries perpendiculaires sont apparemment reliées au filament B211/3, suggère que le gaz formant les stries pour- rait être accrétion le long des lignes du champ magnétique sur le filament principal. Il est intéressant de noter que les vitesses d'effondrement de - 0. 5 - 1 km/s qui nous avons estimées pour le gaz des stries en chute sur le filament principale sont compatibles avec les information cinématiques existantes provenant des observations CO (Goldsmith et al. , 2008). L'analyse de ces observations suggèrent que le filament B211/3 se contracte radiale- ment vers son grand axe, et dans le même temps accréte du gaz ambiant diffus, apparemment couplé avec le champ magnétique, sous la forme de stries. Nous proposons que ce processus d'accrétion pourant être générique et permettre aux filaments supercritiques de garder une largeurs centrale de - 0. 1 pc et rester proche de l'équilibre du viriel alors même qu'ils se contractent radialement. Dans la deuxième partie de mon travail (chapitre 5), j'expose une méthode qui permet de reconstruire, en même temps, les profils de température intrinsèques de densité et de température de poussière pour les coeurs et les filaments denses directement à partir des observations d'Herschel. En utilisant les carte Herschel émissions de poussières cartes à 4 longueurs d'onde 160- 500 gm , nous pouvons reconstruire les profiles de la densité volumique locale et les profils de température de poussière pour un échantillon de 57 coeurs denses pré-stellaires, un objet protostellaire et le filament B211/3 en utilisant une technique basée sur la transformée Abel. Cette technique nous permet d'évaluer directement à partir des observations de poussière Herschel le long de la ligne de visée, ce qui était auparavant uniquement possible à partir de calculs de transfert radiatif. Je testé la validité de le méthode d'inversion d'Abel en effectuant une analyse comparative sur un échantillon de 1500 modèles de base synthétiques cela m'a permis d'évaluer les incertitudes et d'en déduire des critères de sélection pratiques pour sélectionner un échantillon de 57 coeurs dense sans étoiles. Dans cet échantillon, 35 coeurs sans étoiles ont été classés comme candidats préstellaires car ils montrent des contrastes en densité élevés qui sont évocateurs de la présence d'effondrement gravitationnel. La comparaison de profils de température de poussière reconstruits par la méthode d'inversion d'Abel avec les prédictions du code transfert radiatif (MODUST) montre un bon accord. L'intensité du champ de rayonnement externe à la surface des coeurs estimée à partir suite une tendance décroissant en fonction de la distance à l'étoile de masse intermédiaire Herbig Ae/Be V892 située dans la région L1495. Une estimation indépendante du champ de rayonnement à proximité de la source de L1495 est compatible avec les valeurs de Go à la surface des coeurs, ce qui suggère que l'étoile V892 est la source principale du champ de rayonnement à la surface des coeurs situés proximité de la région L1495. Le profil de température de poussière reconstruit par le méthode d'inversion d'Abel pour L1521F, une proto-étoile de Classe de très faible luminosité (objet type ''VeLLO''), nous a fourni des preuves directes de l'effet de chauffage de l'enveloppe protostellaire par l'objet central et montre comment la température de poussière varie à l'intérieur de l'enveloppe. Une tendance similaire pour le profil de température est trouvée pour un modèle de transfert radiatif adapté à L1521 F, ce qui montre qui la technique d'inversion d'Abel appliquée aux Herschel est suffisamment sensible pour détecter l'effet de chauffage d'une proto-étoile de très faible luminosité (- 0. 1 Le). Cette détection est très encourageante pour la recherche de candidats ''premières coeurs hydrostatiques'' qui ont des luminosités centrales attendues comparables très faibles, typiquement - 0. 01 - 0. 1 Le (e. G. Larson, 1969; Saigo & Tomisaka, 2011; Commerçon et al. , 2012). Les profils reconstitués du filament B211/3 montrent que, si l'on en prenant en compte l'effet des variations de la température le long de la ligne de visée, la densité du filament central est 25% plus élevée et la température centrale légèrement inférieure à 10 K. Ces résultats restent en bon accord avec ceux obtenus sans inversion d'Abel en utilisant le profils de densité et de température de la poussière déduits directement des ajustements des distributions spectrales d'énergie pour le filament B211/3. Un résumé et les implications de mon travail de thèse sont discutés dans le chapitre 6, ou je présente également des perspectives pour l'avenir. Les publications aux quelles j'ai contribué de manière importante et que j'ai utilisées dans la discussion du chapitre 5, sont jointes dans les annexes A et B. Une liste complète de publications est donnée dans l'annexe C.

In this thesis I present a comprehensive study based on interstellar dust Herschel observations of the most prominent star-forming filament located in the Taurus Molecular cloud. The Herschel images reveal the structure of the dense, star-forming filament B211/3 with unprecedented detail, along with the presence of striations perpendicular to the filament and generally oriented parallel to the magnetic field direction as traced by optical polarization vectors. The density structure of the B211/3 filament, where ρ α r₋₂ at large radii, and the high degree of symmetry between both sides of the profile indicates that gravity is playing a dominant role in this filament. Furthermore, the supercritical mass per unit length Mline measured for the B211/3 filament (Mline ≈ 54 M⃘/pc), suggests that the filament is gravitationally unstable to both radial contraction and fragmentation into cores. We further point out that the density and temperature structures of the B211/3 filament are consistent with a theoretical model of a cylindrical filament undergoing gravitational contraction. The morphology of the column density map, where some of the perpendicular striations are apparently connected to the B211/3 filament, further suggests that the material of the striations may be accreting along magnetic field lines onto the main filament. Interestingly, we found the estimated velocities for infall material (~ 0. 5 – 1 Km s₋₁) to be consistent with the existing kinematical constraints from previous CO observations. The analysis of these observations suggest that the B211/3 filament is radially contracting towards its long axis, while at the same time accreting diffuse ambient gas, seemingly coupled with the magnetic field, in the form of striations. We discuss that this accretion process may be generic so that supercritical filaments undergoing gravitational contraction can keep their inner widths (of — 0. 1 pc) while contracting by remaining close to virial balance due to this accreting process, favoring the fragmentation into cores. Using the Herschel dust emission maps of this field we reconstruct local volume density and dust temperature profiles for a sample of 57 starless cores, a protostellar object and the B211/3 filament using an inverse-Abel transform-based technique. The intrinsic radial dust temperature profiles allows us to disentangle the effect of temperature variations along the line of sight, which were previously limited to the radiative transfer calculations. The Abel-inversion method was explored by performing a benchmark analysis on a sample of 1 500 synthetic core models, that allowed to assess the accuracy and uncertainties and to infer the selection criteria for a sample of 57 starless cores. In this sample, 35 starless cores were classified as self-gravitating prestellar core candidates and show high density contrasts, with p(r) « r2, that are suggestive of gravitational collapse. Comparison of the derived reconstructed dust temperature with radiative transfer calculation MODUST code show a good agreement with the radiative code predictions. The MODUST predictions of the external radiation field Go at the edge of these cores follow a decreasing trend as a function of distance to the intermediate-mass Herbig Ae/Be star V892 in the L1495 region. An independent estimate of the radiation field near the L1495 source is consistent with the Go values at the edge of the cores, which suggest that the V892 star is the main source of the radiation field in the L1495 region impacting on the nearby cores in this region. The Abel-inverted dust temperature profile of L1521 F, a VeLLO Class 0 protostar source, provided us with direct evidence of the heating effect of the central protostellar object and how dust temperature varies inside the envelope surrounding this very low luminosity protostar. The same trend in temperature is seen for the model simulating L1521F indicating that the Abel-inversion technique applied to the Herschel data is sensitive enough to detect the heating effect. This detection is very encouraging for the potential study of ''first hydrostatic core'' candidates, which are similarly expected to have very low central luminosities (Lboi 0. 1 Le). The reconstructed profiles of the B211/3 filament revealed that by taking into account the effect of temperature variations along the line-of-sight the central density of the filament is 25% higher and has a slightly lower central temperature of 10 K, with a 1. 5 K difference, however, still consistent with the interpretation performed directly on the line-of-sight averaged density and dust temperature profiles derived for the B211/3 filament.