Modélisation de la chimie dans les régions de formation d'étoiles massives avec des PDRs internes

Modeling chemistry in high-mass star-forming regions with internal PDRs

• Auteur / Autrice : Gwendoline Stephán
• Direction : Jacques Le Bourlot, Peter Schilke
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 04/11/2016
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE) en cotutelle avec Physikalisches Institut. Universität zu Köln
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’étude du rayonnement et de la matière en astrophysique et atmosphères (Paris ; 2002-2024) - Laboratoire d'Etudes du Rayonnement et de la Mati'ere en Astrophysique - Université de Cologne- Institut de Physique 1
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Observatoire de Paris (1667-....)
• Jury : Président / Présidente : Joachim Saur
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Le Bourlot, Peter Schilke, Didier Despois, Sebastian Wolf, Dominique Bockelée-Morvan, Guillaume Pineau des Forêts, Álvaro Sánchez-Monge
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Didier Despois, Sebastian Wolf

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photodissociation

Cosmochimie

Formation stellaire

Mots clés libres

Modélisation

Astrochimie

Formation d'étoiles

Modeling

Astrochemistry

Star formation

Résumé

Les conditions menant à la formation des étoiles massives sont toujours étudiées mais un scénario de leur évolution a été avancé : lors de l’effondrement d’un coeur froid pré-stellaire sous l’effet de la gravité, le milieu se réchauffe et entre ainsi dans la phase de coeur chaud moléculaire (CCM). La proto-étoile centrale en formation accrète de la matière, augmentant sa masse et sa luminosité, et finalement devient suffisamment évoluée pour émettre des photons UV qui irradient l’entourage de l’étoile formant ainsi une région HII hypercompact (HC), puis une région HII ultracompact (UC). À ce stade, une région de photo-dissociation (PDR) se forme entre la région HII et le coeur moléculaire. La composition chimique du milieu nous permet de connaître les processus physiques ayant lieu pendant les différentes phases de la formation des étoiles. De plus, la chimie nous permet également de déterminer le stade de l’évolution d’un objet astrophysique par l’utilisation de codes chimiques incluant l’évolution temporelle de la température et du champ de rayonnement. Jusqu’à présent, peu d’études ont examiné les PDRs internes et cela a été uniquement en présence d’une cavité formée par un écoulement (appelé ici outflow) de matière depuis les pôles de la proto-étoile vers le milieu environnant. La connaissance de ces régions uniques autour des régions HII hypercompact et ultracompact restent donc à approfondir. Ma thèse de doctorat se concentre sur l’évolution spatio-temporelle de la chimie dans les régions HII hypercompact et ultracompact avec des PDRs internes aussi bien que dans les coeurs chauds moléculaires. Le but de cette étude est, premièrement, de comprendre l’impact et les effets sur la chimie du champ de rayonnement, en général très fort dans ces régions. Deuxièmement, le but est d’étudier l’émission de diverses espèces spécifiques aux régions HII HC/UC et de comparer cette émission à celle des CCMs, où le champ de rayonnement UV n’a pas d’influence car il est immédiatement atténué par le milieu. En fin de compte nous voulons déterminer l’âge d’une région donnée en utilisant la chimie associée au transfert radiatif. Pour étudier ces stades transitoires de la formation des étoiles massives, nous utilisons le code astrochimique Saptarsy optimisé et amélioré pendant cette thèse de doctorat. Saptarsy est un code gaz-grain calculant l’évolution spatio-temporelle d’abondances relatives. Il est basé sur l’approche des équations des taux de réactions et utilise le réseau chimique OSU (Université de l’État de l’Ohio) mis à jour. De plus, Saptarsy est couplé au code de transfert radiatif RADMC-3D via un programme, basé sur le langage Python, nommé Pandora. Ceci est fait afin d’obtenir des spectres synthétiques directement comparables avec des observations en utilisant l’évolution spatio-temporelle détaillée des abondances chimiques.En plus de la comparaison entre un modèle de région HII HC/UC avec un modèle de CCM, nous obtenons des modèles pour des tailles différentes de régions HII, pour plusieurs densités au front d’ionisation et pour deux profils de densité. Nous étudions les abondances qui dépendent de manière critique des conditions initiales et nous explorons aussi l’importance de l’émission venant de l’enveloppe pour diverses espèces chimiques. Nous constatons que parmi la douzaine d’espèces que nous avons étudiées seulement quatre d’entre elles sont spécifiques à la phase de région HII ou à la phase de coeur chaud. Ces espèces sont C+ et O pour la première phase et CH3OH et H218O pour la deuxième phase. Cependant, un plus grand nombre d’espèces pourrait être utilisées pour étudier et identifier ces phases.

Conditions leading to the formation of high-mass stars are still under investigation but an evolutionary scenario has been proposed: As a cold pre-stellar core collapses under gravitational force, the medium warms up and enters the hot molecular core (HMC) phase. The forming central proto-star accretes materials, increasing its mass and luminosity and eventually it becomes sufficiently evolved to emit UV photons which irradiate the surrounding environment forming a hyper compact (HC) and then a ultracompact (UC) HII region. At this stage, a very dense and very thin internal photon-dominated region (PDR) forms between the HII region and the molecular core.Information on the chemistry allows to trace the physical processes occurring in these different phases of star formation. Therefore, chemistry also allows the determination of the evolutionary stage of astrophysical objects through the use of chemical models including the time evolution of the temperature and radiation field. So far, few studies have investigated internal PDRs and only in the presence of outflows cavities. Thus, these unique regions around HC/UCHII regions remain to be examined thoroughly.My PhD thesis focuses on the spatio-temporal chemical evolution in HC/UC HII regions with internal PDRs as well as in HMCs. The purpose of this study is first to understand the impact and effects of the radiation field, usually very strong in these regions, on the chemistry. Secondly, the goal is to study the emission of various tracers of HC/UCHII regions and compare it with HMCs models, where the UV radiation field does not impact the region as it is immediately attenuated by the medium. Ultimately we want to determine the age of a given region using chemistry in combination with radiative transfer. To investigate these transient phases of massive star formation, we use the astrochemical code Saptarsy optimized and improved during this PhD thesis. Saptarsy is a gas-grain code computing the spatio-temporal evolution of relative abundances. It is based on the rate equation approach and uses an updated Ohio State University (OSU) chemical network. Moreover, Saptarsy works along with the radiative transfer code RADMC-3D via a Python based program named Pandora. This is done in order to obtain synthetic spectra directly comparable to observations using the detailed spatio-temporal evolution of species abundances.In addition to comparing a HC/UCHII region to a HMC model, we obtain models for different sizes of HII regions, for various densities at the ionization front and for two different density profiles. We investigate the critical dependance of the abundances on the initial conditions and we also explore the importance of the emission coming from the envelope for various species. We find that among the dozen of molecules and atoms we have studied only four of them trace the UC/HCHII region phase or the HMC phase. They are C+ and O for the first and CH3OH and H218O for the second phase. However, more species could be studied to probe and identify these phases.