Phénomènes d'éjection de masse dans les flots chimiquement riches : une étude de Cepheus E

Mass-ejection phenomena in chemically rich outflows : a study of Cepheus E

• Auteur / Autrice : André Schutzer
• Direction : Bertrand Le Floch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilués
• Date : Soutenance le 14/12/2022
• 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 : Catherine Dougados
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jonathan Ferreira, Rafael Bachiller, Timea Csengeri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lars Egstrøm Kristensen, Fabrice Herpin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coeurs chauds moléculaires

Formation stellaire

Mots clés libres

Formation stellaire

Chocs

Flots protostellaires

Protostellar outflows

Star Formation

Shocks

Résumé

Les premiers stades de la formation des étoiles s'accompagnent de puissantes éjections de masse sous forme de jets hypersoniques et d'écoulements bipolaires, qui interagissent avec leur enveloppe parentale par le biais de chocs. Ainsi, ces chocs injectent de la masse et de l'énergie, modifiant les propriétés du matériau protostellaire qui alimente l'étoile naissante. De plus en plus de preuves montrent qu'ils modifient fortement la complexité moléculaire du gaz protostellaire, alors qu'ils peuvent servir à sonder la composition chimique du gaz moléculaire et de la poussière pendant la phase pré-stellaire. Ainsi, l'objectif principal de cette thèse était de contraindre les processus physiques et chimiques générés dans et par la région d'éjection protostellaire. Pour ce faire, j'ai réalisé une étude approfondie de la composition chimique des chocs d'éjection associés au système protostellaire Cep E. Cet objet est un système binaire de classe 0 isolé, de masse intermédiaire, possédant une géométrie 3D bien caractérisée et un flot bipolaire brillant.Mon travail était basé sur l'analyse et la modélisation d'un large jeu de données obtenu avec l'interféromètre IRAM/NOEMA, dans le cadre du Grand Programme SOLIS, avec une résolution angulaire de 0.5’’ à 1.3mm et 2’’ à 3mm, respectivement. J'ai également analysé les données du projet W14AF avec une résolution angulaire de 1.5’’ à 1.3mm et 2.5’’ à 3mm. Dans un premier temps, une recherche systématique de molécules dans le jet a été effectuée et grâce à la haute qualité des données spectrales, j'ai pu détecter 15 transitions moléculaires de SiO, SO, HCN, HCO+, CS, H2CO et CH3OH (pour la première fois) dans le jet de Cep E. La présence de matières organiques dans les jets n'est pas seulement rare mais reste déroutante, en effet elle soulève plusieurs questions sur l'interaction des chocs avec l'enveloppe protostellaire ainsi que sur le mécanisme à l'origine de ces chocs, à savoir le jet protostellaire lui-même, et les phénomènes de perte de masse.Par conséquent, mon premier travail Schutzer et al. (2022) a été consacré à la construction d'un scénario cinétique pour le jet de Cep E, avec les données de résolution angulaire les plus élevées. J'ai identifié deux composants dans le jet : un interne, étroit et collimaté ; et une couche de gaz externe plus large. Le jet montre des preuves de la variabilité de l'éjection de masse, tracée par les nombreux chocs internes détectés (18) le long des lobes à grande vitesse. En outre, une échelle de temps dynamique de 55 ans entre les éjections ultérieures à proximité de la protoétoile avec une variabilité de vitesse qui pourrait permettre des collisions de nœuds. De même, nous avons observé qu'une partie du matériau de l'enveloppe est entraînée par le jet à grande vitesse et écartée.Après avoir caractérisé la cinétique du jet Cep E, nous nous sommes attaqués à l'origine de la riche chimie de cette région. Le lobe nord est plus riche que le sud. Nous avons proposé que cette différenciation chimique soit due au fait que la matière entraînée (gaz et poussière) est entraînée par le jet, puis la matière gelée sur les manteaux de poussière (CH3OH), est libérée en raison des chocs internes dans le jet à plus distants par rapport à la protoétoile, en plus du fait que le jet frappe les parois de la cavité riches en produits chimiques.Enfin, en collaboration avec le Dr P. Rivera-Ortiz, nous avons utilisé le code chimio-HD WALKYMIA pour modéliser la formation et reproduire les propriétés de l'émission de CO dans Cep E flot. La comparaison entre le modèle et de les observations nous a permis de reproduire avec un accord très satisfaisant~: la morphologie et les propriétés de l'écoulement (masse et taille), le taux de perte de masse et l'historique 3D des événements de perte de masse qui a façonné le système Cep E. De plus, nous avons pu contraindre les conditions du processus d'éjection et déterminer l'interaction du jet avec l'enveloppe parentale.

The earliest stages of star formation are accompanied by powerful mass ejections in the form of hypersonic jets and bipolar outflows, which interact with their parental envelope through shocks. Thereby, these shocks inject mass and energy, modifying the properties of the protostellar material which feeds the nascent star. There is mounting evidence that they strongly alter the molecular complexity of the protostellar gas, while they can serve to probe the chemical composition of the molecular gas and dust during the pre-stellar phase. Thus, the main goal of this thesis was to constrain the physical and chemical processes originated in and by the protostellar outflow region. To do so, I carried out a comprehensive study of the chemical composition of the outflow shocks associated to the protostellar system Cep E. This object is an isolated, intermediate-mass, Class 0 binary system, with a well characterized 3D geometry and a bright bipolar outflow.My work was based on the analysis and modelling of a large dataset obtained with the IRAM/NOEMA interferometer, as part of the Large Program SOLIS, with an angular resolution of 0.5’’ at 1.3mm and 2’’ at 3mm, respectively. I also analyzed data from the W14AF project with an angular resolution of 1.5’’ at 1.3mm and 2.5’’at 3mm. Initially, a systematic search for molecules in the jet was performed and thanks to the high-quality of the spectral data, I was able to detect 15 molecular transitions of SiO, SO, HCN, HCO+, CS, H2CO and CH3OH (for the first time) in the jet of Cep E. The presence of organics in jets is not just rare but still puzzling, indeed it raises several questions on the shock interaction with the protostellar envelope and also on the mechanism at the origin of these shocks, namely the protostellar jet itself, and the mass-loss phenomena.Therefore, my first work Schutzer et al. (2022) was dedicated to building a kinematic scenario for the jet of Cep E, with the highest angular resolution data. I identified two components in the jet: an internal, narrow and collimated one; and an external broader gas layer. The jet shows evidence for mass-ejection variability, traced by the many internal shocks detected (18) along the high-velocity lobes. Also, a dynamical timescale of 55 years between subsequent ejections close to the protostar with velocity variability that could permit knot collisions. Likewise, we observed that part of the material from the envelope is being entrained by the high velocity jet and dragged away.After having characterized the kinematics of the Cep E jet, we tackled the origin of the rich chemistry in this region. The northern lobe is richer than the southern. We proposed this chemical differentiation is due to entrained material (gas and dust) being dragged away by the jet, and then the material frozen onto the dust mantles (CH3OH), is released due to the internal shocks in the jet at further distances with respect to the protostar, additionally to the fact that the jet is hitting the chemically rich cavity walls at certain positions.Finally, in collaboration with Dr. P. Rivera-Ortiz, we have used the WALKYMIA chemo-Hydro Dynamical code to model the formation and reproduce the properties of the CO emission in the Cep E outflow. The comparison between the model and PdBI observations of the CO emission at arcsec scale have allowed us to reproduce with very satisfying agreement: the outflow morphology and properties (mass and size), the mass-loss rate and the 3D history of the mass loss events that shaped the Cep E system. Moreover, we could constrain the ejection process conditions and determine the jet interaction with the parental envelope.