Photophysique et évolution des hydrocarbures aromatiques polycycliques cosmiques à l'ère du télescope spatial James Webb

Photophysics and evolution of cosmic polycyclic aromatic hydrocarbons at the James Webb space telescope era

• Auteur / Autrice : Sacha Foschino
• Direction : Christine Joblin, Olivier Berné
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Sciences de l'Espace, Planétologie
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de recherche en astrophysique et planétologie (Toulouse ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Deville
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Galliano
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Guillet, Laurent Verstraete

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télescopes spatiaux

Composés aromatiques polycycliques

Mots clés libres

Milieu interstellaire

Poussière

HAP

Traitement du signal

Séparation aveugle de source

Effet photoélectrique

Astronomie infrarouge

Interstellar medium

Dust

Signal processing

Blind signal separation

Photoelectric effect

Infrared astronomy

Résumé

Les spectres infrarouges des galaxies et de nombreux objets de la Voie Lactée sont dominés par des bandes spectrales intenses, localisées à 3.3, 6.2, 7.7, 8.6, 11.2, et 12.7µm, nommées "bandes aromatiques infrarouges" (AIB). Elles sont attribuées au refroidissement d'une classe de molécules appelées "hydrocarbures aromatiques polycycliques" (PAH), excitées par l'absorption des photons ultraviolets (UV) interstellaires. Les PAH jouent un rôle clé dans la physique des environnements dominés par le rayonnement UV, appelées régions de photodissociation (PDR). En particulier, ils ont une contribution majeure au chauffage du gaz par effet photoélectrique (effet PE). Cependant, à ce jour aucun PAH spécifique n'a pu être identifié, ce qui rend délicat la description, dans les modèles, de leur contribution à la physique et la chimie des milieux. En particulier la contribution de l'effet PE au chauffage du gaz est prise en compte dans de nombreux codes astrophysiques. Il est néanmoins possible d'obtenir des informations globales sur les familles de PAH interstellaires, en se basant sur l'analyse des spectres AIB et de leurs variations. Ceci peut être réalisé en utilisant des méthodes d'apprentissage basées sur la séparation aveugle de sources (SAS), qui permettent d'extraire des spectres d'émission infrarouge représentatifs de populations moyennes de PAH. Le premier volet de cette thèse a consisté à améliorer les approches basées sur la SAS dans le contexte de l'arrivée du futur observatoire spatial infrarouge JWST. En effet, les méthodes existantes étaient limitées par deux aspects : leur incapacité à traiter de gros volumes de données comme celles qui seront fournies par le JWST, et le fait que leur initialisation, réalisée de manière aléatoire, implique une non-stabilité des résultats. Pour résoudre ces problèmes, j'ai proposé et testé, un protocole basé sur une méthode de SAS hybride issue d'études antérieures. Cette approche a été testée sur un jeu de données d'archives (spectres SWS du satellite ISO) qui présente des caractéristiques semblables d'un point de vue spectral à celle du JWST. Ces tests ont permis de démontrer la robustesse et la rapidité de l'approche et les perspectives à venir pour l'analyse des données du JWST. Par ailleurs, nous avons obtenu de nouvelles informations sur la nature des porteurs des AIB avec, en particulier, une première analyse du domaine à 3µm. Le deuxième volet de cette thèse a concerné l'estimation de la contribution des PAH au chauffage du gaz interstellaire par effet photoélectrique ainsi que de l'effet de leur charge sur ce dernier, dans le cas de la PDR NGC 7023 NW. Pour obtenir cette contribution, j'ai comparé l'efficacité théorique de ce processus de chauffage à une valeur haute de l'efficacité observée, appelée efficacité "réduite". La première est calculée grâce aux paramètres moléculaire des PAH obtenues par de récentes expériences de laboratoire et par calcul de chimie quantique. L'efficacité observée "réduite" est obtenu par le ratio entre l'émission du gaz et l'émission additionnée du gaz et des PAH (obtenue via l'outil PAHTAT). Le rapport entre l'efficacité réduite et théorique donne la contribution relative des PAH au chauffage du gaz par rapport aux autres grains. Cette quantité, dans NGC 7023 NW s'élève entre 70 et 80 %, ce qui montre l'importance majeure des PAH dans le chauffage du gaz ainsi qu'une description moléculaire de ce processus de chauffage. La taille des PAH influence peu ce résultat, en revanche le modèle montre qu'une connaissance plus précise de l'énergie cinétique des photoélectrons est cruciale pour avancer dans ce domaine.

The infrared spectra of galaxies and numerous astrophysical objects of the Milky Way are dominated by intense spectral bands, localized at 3.3, 6.2, 7.7, 8.6, 11.2 and 12.7µm, called "aromatic infrared bands" (AIB). They are attributed to the cooling of a class of molecules called "polycyclic aromatic hydrocarbons" (PAH), excited by the absorption of interstellar UV photons. PAHs play a key role in the physics of environments dominated by UV radiation, called photodissociation regions (PDR). In particular, they are the major contributors to the gas heating through the photoelectric effect (PE effect). Furthermore, PAHs play an important role in the extinction of stellar radiation and in the gas chemistry, being a possible catalyst in the Hdollar_2dollar formation, the most abundant molecule of the universe. However, for now no specific PAH has been identified in the interstellar medium, which can yield in a difficult description of their contribution to the physics and chemistry in models. In particular, the contribution of the PE effect on dust in the gas heating is considered in several codes. It is nevertheless possible to obtain global information on interstellar PAH families, based on the analysis of AIB spectra and their variations. This can be achieved using learning methods such as blind signal separation (BSS), which allows to extract infrared emission spectra, representative of mean populations of PAHs. The first part of this thesis consisted in upgrading the methods based on BSS in the context of the arrival of the James Webb Space Telescope (JWST). Indeed, current methods were limited in two aspects: their inability to handle large volumes of data such as those that will be provided by JWST, and the fact that their random initialization implied an instability of the results. In order to fix these issues, I proposed and developed an approach based on a hybrid BSS method. This approach has been tested on an archival data set (spectra from the SWS instrument onboard the ISO satellite) which present similar spectral characteristics as the coming JWST data. These tests allowed to show the robustness and rapidity of this approach and the perspectives for the analysis of the incoming JWST data. Moreover, we obtained new information on the nature of AIB carriers with, in particular a first analysis of the 3µm domain. The second part of this work was focused on the estimation of the PAH contribution to the interstellar gas heating by photoelectric effect as well as the effect of the charge in this process, in the case of the PDR NGC 7023 NW. In order to derive this contribution, I compared the theoritical efficiency of this heating process with an upper value of the observed efficiency, called "reduced" efficiency. the first one is computed using the molecular parameter of PAHs obtained by recent laboratory experiments and quantum chemistry computations. The "reduced" efficiency is derived using the ratio between the gas cooling emission and the sum of the gas cooling emission and the PAH cooling emission. The ratio between the "reduced" and theoritical efficiencies allows to derive the contribution of PAHs to the gas heating relatively to that of other types of grains. This quantity, in NGC 7023 NW, is comprised between 70 and 80%, which shows the major influence of PAHs in the gas heating as well as the molecular description of this heating process. The PAH size has only a little impact on this result, however the model shows that a more profound knowledge of the kinetic energy of photoelectrons is crucial to move forward in this area.