Diversité chimique organique dans les proto-étoiles de type solaire : le proto-système solaire a-t-il connu une phase 'hot corino' ?

Diversity of organic richness in solar-type protostars : did the proto-solar-system experience a hot corino phase ?

• Auteur / Autrice : Mathilde Bouvier
• Direction : Cecilia Ceccarelli, Ana López-Sepulcre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 21/01/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Éric Quirico
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Charlotte Vastel, Peter Schilke
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maryvonne Gerin, Serena Viti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Formation stellaire

Matière interstellaire

Protoétoiles

Mots clés libres

Proto-Étoiles de type solaire

Hot corino

Astrochimie

Diversité

Solar-Type protostars

Hot corino

Astrochemistry

Diversity

Résumé

Le système solaire est né il y a 4,5 milliards d'années dans un nuage moléculaire de la Voie lactée. L'astrochimie est un outil puissant pour élucider (1) ce qui est arrivé aux premières phases de la formation du système solaire et (2) comment elles ont pu influencer le début du développement de la chimie organique et peut-être de l'apparition de la vie sur Terre. Les observations effectuées jusqu'à présent montrent une grande diversité dans la composition chimique des proto-étoiles de masse solaire. En particulier, les "hot corinos" et les objets WCCC ("Warm Carbon-Chain Chemistry", soit la chimie chaude des chaines carbonées) sont chimiquement distincts : les "hot corinos" sont riches en molécules organiques complexes interstellaires, ou iCOMs (qui pourraient être des briques de grandes biomolécules terrestres), tandis que les objets WCCC sont riches en hydrocarbures. Cette diversité chimique protostellaire pourrait refléter une différence dans la composition chimique du manteau de glace des grains mis en place pendant la phase pré-stellaire. La question de savoir si l'environnement affecte cette diversité et comment, reste ouverte.Peu de "hot corinos" et objets WCCC ont été identifiés à ce jour. La plupart des études ciblant les "hot corinos" vise des régions de formation d'étoiles de faible masse, alors que notre Soleil est censé être né près d'étoiles massives (>8 M o). Les études de proto-étoiles dans ces régions sont essentielles pour comprendre le passé chimique du Soleil. Le premier but de la thèse est d'étudier la nature chimique des proto-étoiles situées dans une région similaire à celle où notre Soleil est né, et de déterminer si le Soleil a subi une phase "hot corino" pendant sa formation. Le second but est de comprendre si l'environnement joue un rôle dans la diversité chimique des proto-étoiles. Pour cela, j'ai étudié neuf proto-étoiles du filament OMC-2/3, la plus proche région similaire à l'environement de naissance du Soleil. J'ai exploité des sets de données "single-dish" et interférométriques et ciblé seulement les traceurs moléculaires des "hot corinos" et des objets WCCC.Les observations "single-dish" se sont révélées inefficaces dans la recherche de "hot corinos" et d'objets WCCC dans OMC-2/3, à cause de la contamination des traceurs moléculaires utilisés par la région de photodissociation entourant le filament. Ensuite, j'ai réalisé une analyse de la poussière et des raies moléculaires avec les observations ALMA. L'étude de la poussière montre que ses propriétés ne sont pas affectées par l'illumination UV, et que la formation d'étoiles est simultanée dans tout le filament. Enfin, à partir de l'analyse des raies moléculaires, j'ai détecté cinq nouveaux "hot corino" dans OMC-2/3. Ce résultat diffère de ce qui a été trouvé dans les autres régions de formation d'étoiles, où les "hot corinos" sont abondants. Ceux-ci semblent donc être rares dans un environnement fortement illuminé, ce qui suggère que l'environement affecte probablement la diversité chimique des proto-étoiles. Enfin, l'ancienne nature "hot corino" du Soleil doit faire l'objet d'une étude plus approfondie.

The Solar System was born 4.5 billion years ago from a cold clump of a molecular cloud of the Milky Way. Astrochemistry is a powerful tool to elucidate (1) what happened to the first phases of the Solar System formation and (2) how they might have influenced the early development of organicchemistry and perhaps the appearance of life on Earth. The observations so far show a large diversity in the chemical composition of solar-mass protostars. In particular, hot corinos and WCCC (Warm Carbon-Chain Chemistry) objects are chemically distinct: while hot corinos are rich in interstellar complex organic molecules, or iCOMs (which might be bricks of large terrestrial biomolecules), WCCC objects are rich in hydrocarbons. This protostellar chemical diversity could reflect a difference in the chemical composition of the grains ice mantle set during the pre-stellar core phase. Whether the environment affects this diversity and how is still an open question.Only a few solar-mass hot corinos and WCCC objects have been identified to date, thus making it difficult to assess which one of these is dominant in our Galaxy, if any. Most studies targeting hot corinos are performed towards low-mass star-forming regions whereas our Sun is believed to be born in a large cluster with high-mass (>8 M o) stars. Studies of solar-mass protostars in low- to high- mass star-forming regions are mandatory to shed light on the Sun's chemical past. The first objective of the thesis is to investigate the chemical nature of solar-mass protostars located in a region similar to the one where our Sun was born, and to address the question of whether or not the Sun underwent a hot corino phase during its formation. The second objective is to understand whether the environment plays a role in the chemical diversity of solar-mass protostars. To do so, I explored the chemical contents of nine bona fide solar-mass protostars located in the OMC-2/3 filament, the best and closest analogue to our Sun's birth environment. I exploited single-dish and interferometric datasets and targeted exclusively the molecular tracers of hot corinos and WCCC objects.Unexpectedly, single-dish observations proved to be ineffective in searching for hot corinos and WCCC objects in OMC-2/3. The molecular tracers used are very likely contaminated by the photodissociation region surrounding the filament. Then, I performed both a dust continuum and a molecular line analysis with the ALMA observations. The dust continuum study shows that the dust properties of the OMC-2/3 protostars are not affected by the high-UV illumination, and that star formation is simultaneous throughout the filament. Finally, from the molecular line analysis, I detected five new bona fide hot corinos in OMC-2/3. This result is different from what was found in low-mass star-forming regions where hot corinos are abundant. Hot corinos seem therefore to be scarcer in a high UV-illuminated environment, which suggests that the latter is very likely playing a role in the chemical content of solar-mass protostars. Finally, hot corinos do not seem to prevail in a region similar to the Sun's birth environment. The question of whether our Sun experienced a hot corino phase needs further research to be answered.