Les structures HI de la périphérie du Petit Nuage de Magellan avec les données ASKAP à haute-résolution

The HI structures of the Small Magellanic Cloud periphery with high-resolution ASKAP data

• Auteur / Autrice : Frances Buckland-Willis
• Direction : Marc-Antoine Miville-Deschênes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Paris ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Hennebelle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Bot, Mary E. Putman, Claire Masurel-Murray, Enrico Di Teodoro, Suzanne Madden
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caroline Bot, Mary E. Putman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse des données

Régions H I (astrophysique)

Matière interstellaire

Magellan, Nuages de

Mots clés libres

Formation de structures

Milieu interstellaire

21 cm

Analyse de données

Nuages de Magellan

Structure formation

Interstellar medium

21 cm

Data analysis

Magellanic clouds

Résumé

Dans ce travail, je présente les résultats d'une analyse de l'émission HI du Petit Nuage de Magellan (SMC) avec le nouvel interféromètre SKA pathfinder, l'Australian Square Kilometre Array Pathfinder (AKSAP). Ce travail se place dans le cadre de la collaboration Galactic ASKAP (GASKAP) dédié à un vaste relevé de l'émission à 21 cm de l'hydrogène atomique neutre, le HI, d'une partie du plan galactique et du système de Magellan. L'une des premières zones observées dans le cadre de ce projet fut le SMC. Les études préliminaires ont permis de découvrir l'émission 21 cm de nouvelles structures en périphérie du SMC, ainsi qu'une variabilité de la fraction du HI froid (CNM) à l'aide d'observations en absorption sur un grand nombre de sources radio. Dans ce travail, j'utilise le fait que l'émission à 21 cm permet de cartographier l'information sur les phases du HI (du CNM au WNM). J'analyse les données hyper-spectrales de l'émission de nuages individuels autour du SMC pour révéler la distribution des phases du HI dans l'espace physique et dans l'espace des vitesses. La première partie de ce travail s'est concentrée sur trois structures ayant des tailles de plusieurs centaines de pc, toutes situées dans la périphérie nord de la galaxie, et précédemment identifiées dans les données de mise en service obtenues par GASKAP. Ces structures, bien résolues par le faisceau de 30'' d'ASKAP, ont été analysées à l'aide de ROHSA, un algorithme de décomposition en gaussienne qui est une technique couramment utilisée pour analyser les spectres d'émission de HI. Dans ce travail, j'utilise cet algorithme pour modéliser ces trois structures et reconstruire des cartes de chaque phase. Je trouve que chaque nuage a de grandes variations internes de leurs fractions CNM et dans certains cas une réduction de la fraction CNM à mesure qu'ils s'éloignent de la galaxie. De même, la vitesse radiale change à mesure que l'on s'éloigne de la galaxie, ce qui indique que les différentes phases se déplacent à des vitesses différentes. La deuxième partie de ce projet s'est concentrée sur la recherche de nuages HI plus petits autour du SMC qui étaient décalés d'au moins 250pc ou 20 km/s de toute autre structure dans l'espace position-position-vitesse. J'ai trouvé 31 nuages en utilisant une combinaison de méthodes de recherche automatique et de vérification humaine. Pour analyser ces petits nuages, j'ai de nouveau utilisé l'algorithme ROHSA pour isoler la structure du CNM en leur sein. En faisant l'hypothèse que ces nuages sont filamentaires, j'ai obtenu des limites inférieures sur la densité de ces nuages ce qui, combiné aux températures dérivées des largeurs de raies, m'a permis d'estimer les conditions physiques de l'environnement où résident ces nuages. Cette thèse présente les premiers résultats de la décomposition en phase des données 21 cm du SMC, la première partie de l'étude pilote du projet GASKAP. Elle met en évidence les détails avec lesquels nous pouvons maintenant analyser les structures interstellaires HI et donne un aperçu des processus dans l'environnement extrême de la périphérie du SMC. Le SMC est un système extrêmement perturbé sur le plan dynamique, car il interagit fortement avec son partenaire, le Grand Nuage de Magellan (LMC). Du fait de cette interaction, le SMC subit d'importantes forces de marée et il n'est donc pas surprenant que nous trouvions une pléthore de nuages neutres, petits et grands, à des distances significatives de la galaxie. L'analyse effectuée dans le cadre de ce travail nous aide à mieux comprendre la dynamique inhabituelle du système et les forces qui l'ont façonnée. D'autres observations prévues du SMC avec ASKAP, combinées à des études sur d'autres traceurs de gaz et sur la dynamique stellaire, permettront de dresser un tableau plus complet de la structure de la galaxie en 3D et dans l'espace des vitesses, afin d'améliorer notre compréhension de l'un des voisins les plus proches de la Voie lactée.

In this work I present the results of an analysis of the HI emission spectra survey of the Small Magellanic Cloud (SMC) with the new SKA pathfinder interferometer the Australian Square Kilometre Array Pathfinder (AKSAP).The Galactic ASKAP collaboration (GASKAP) is conducting a large HI emission survey of the 21cm line to map part of the Galactic plane and the Magellanic system. One of the first areas observed as part of the survey was the SMC. HI emission captures both phases of the neutral atomic medium, the cold and the warm, and previous surveys of the SMC have uncovered new structures in the periphery of the SMC. Previous absorption studies of the SMC have found differing fractions of cold to warm neutral medium (CNM and WNM) so in this work I analyse the emission spectra of individual clouds around the SMC to uncover the distribution of the two phases in physical and velocity space. The first part of this work focused on three large structures previously identified in the commissioning data obtained by GASKAP, all residing in the northern outskirts of the galaxy. These structures are 100s of pc long, well resolved by the 30” synthesised beam of ASKAP and were analysed using the ROHSA algorithm. ROHSA is a Gaussian decomposition algorithm, which is a common technique used to analyse emission spectra for HI. In this work I use this algorithm to model these three structures and reconstruct maps of each phase for analysis. I find that each cloud has large internal variations of their CNM fractions and in some cases a reduction of CNM fraction as they get further from the galaxy. Similarly the radial velocity changes as we move away from the galaxy with indication that the different phases travel at different velocities. The second part of this project focused on searching for smaller clouds of HI around the SMC that were offset by at least 250pc or 20 km/s from any other small-scale structure. I found 31 clouds by using a combination of automated searching methods and human verification. To analyse these small clouds, I again used the ROHSA algorithm to isolate the CNM structure in them and characterised their shape using filament defining packages. This way I obtained lower limits on the density of these clouds. This combine with temperatures derived from the linewidths allowed me to estimate the extragalactic conditions in the areas these clouds reside. This thesis presents the first results of phase decomposition on the GASKAP SMC dataset, the first part of the pilot survey. It highlights the detail in which we can now analyse structures in HI and gives insight into the processes in the extreme environment of the SMC periphery. The SMC is an extremely dynamically disturbed system as it is interacting strongly with its partner the Large Magellanic Cloud (LMC). From this interaction, the SMC is experiencing large tidal forces so it is no surprise that we find a plethora of gas on large and small scales at significant distances from the galaxy. The analysis done in this work help us better understand the unusual dynamics of the system and the forces that shaped them. Further planned observations of the SMC with ASKAP, combined with surveys in other gas tracers and stellar dynamics will be able to build a more complete picture of the galaxy structure in 3D and velocity space to increase our understanding of one of the Milky Way's nearest neighbours.