Statistical approach to astrophysical flows in star forming clouds : towards the stellar initial mass function

par Etienne Jaupart

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Gilles Chabrier.

Soutenue le 08-07-2021

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec École normale supérieure de Lyon (2010-...) (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de recherche astrophysique de Lyon (CRAL) (laboratoire) .

Le président du jury était Laure Saint-Raymond.

Le jury était composé de Gilles Chabrier, Laure Saint-Raymond, Thierry Passot, Pascal Tremblin, Philippe André.

Les rapporteurs étaient Thierry Passot, Pascal Tremblin.

  • Titre traduit

    Approche statistique des écoulements astrophysiques dans les nuages hôtes de la formation stellaire : vers la fonction de masse initiale des étoiles


  • Résumé

    En astrophysique, les fonctions de masse (MF) sont définies comme les densités numériques de certains objets par intervalle de masse. Elles sont les pierres angulaires et les points de départ de la modélisation des statistiques de la hiérarchie des objets astrophysiques. Aux échelles stellaires, la fonction de masse stellaire initiale (IMF) fournit le lien essentiel entre l'évolution stellaire et l'évolution galactique et détermine le contenu chimique, lumineux et baryonique de l’univers. Deux questions d'une importance capitale se posent donc: qu'est-ce qui détermine l'IMF et comment l'IMF dépend du temps? La nécessité d'une modélisation analytique, à côté des approches numériques et observationnelles, est essentielle car elle permet une compréhension sûre et explicite de la physique qui sous-tend l'IMF. Aux échelles stellaires, les modèles actuels réussissent à expliquer la forme, plutôt universelle, observée de l'IMF sur une large gamme de conditions typiques d'amas stellaires dans la Voie Lactée. À la base de ces théories se trouve la connaissance des statistiques initiales des fluctuations du champ de densité dans le nuage hôte, à partir duquel se forment les structures. Ces modèles, basés sur des études de turbulence compressible, sont formulés avec des statistiques initiales log-normales. Les observations et simulations numériques ont cependant montré que les fluctuations de densité dans les nuages présentant une active formation stellaire s’éloignaient du cas log-normal à très hautes densités, une caractéristique identifiée comme la signature de la gravité. Nous avons donc cherché à développer une théorie analytique qui décrive les propriétés statistiques des écoulements, ainsi que les effets de la gravité sur celles-ci, dans les nuages formant des étoiles. Cette théorie a pour but de fournir un cadre à l’étude observationnelle et numérique des propriétés statistiques des nuages formant des étoiles, et d’intégrer dans ce cadre général les modèles de l’IMF.


  • Résumé

    In astrophysics, mass functions (MF) are defined as the numerical densities of certain objects per mass interval. They are the cornerstones and starting points for modelling the statistics of the hierarchy of astrophysical objects. At stellar scales, the stellar initial mass function (IMF) provides the essential link between stellar and galactic evolution and determines the chemical, luminous and baryonic content of the universe. This raises two critical questions: what determines the IMF and how does the IMF depend on time? The need for analytical modelling, alongside numerical and observational approaches, is essential as it allows a secure and explicit understanding of the physics underlying the IMF. At stellar scales, current models succeed in explaining the observed, rather universal, shape of the IMF over a wide range of conditions typical of stellar clusters in the Milky Way. At the basis of these theories is the knowledge of the initial statistics of the density field fluctuations in the host cloud, from which the structures form. These models, based on studies of compressible turbulence, are formulated with initial log-normal statistics. Observations and numerical simulations have shown, however, that density fluctuations in clouds with active star formation deviate from the lognormal case at very high densities, a feature identified as the signature of gravity. We therefore sought to develop an analytical theory that describes the statistical properties of the flows, and the effects of gravity on them, in star-forming clouds.This theory aims to provide a framework for the observational and numerical study of the statistical properties of star-forming clouds, and to integrate the MFI models into this general framework.


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