Champ magnétique et formation stellaire le long des filaments interstellaires ˸ Observations avec NIKA2-Pol

Probing the role of magnetic fields in star-forming filaments and protostellar cores ˸ Observations with NIKA2-Pol

• Auteur / Autrice : Hamza Ajeddig
• Direction : Philippe Andre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie et Astrophysique
• Date : Soutenance le 31/01/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Astrophysique Instrumentation Modélisation (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2005-....) - Institut de radio-astronomie millimétrique (Grenoble ; 1979-....)
• 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 : Alain Abergel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dan P. Clemens, Isabelle Ristorcelli, Helmut Wiesemeyer, Annie Zavagno, Carsten Kramer, François-Xavier Désert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dan P. Clemens, Isabelle Ristorcelli, Helmut Wiesemeyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télescope spatial Herschel

Radioastronomie

Polarisation (lumière)

Polarisation thermique

Formation stellaire

Matière interstellaire

Mots clés libres

Formation d'étoiles

Milieu interstellaire

Champ magnétique

Star formation

ISM

Magnetic fields

Résumé

La formation d’étoiles dans le milieu interstellaire est débattue depuis des décennies. Les observations récentes de la mission spatiale Herschel ont montré que les structures filamentaires sont présentes dans tous les nuages moléculaires observés et que ces filaments jouent un rôle crucial dans la formation d’étoiles. Ces observations ont montré que ces filaments ont une largeur commune de 0.1 pc et que la plupart (75 %) des cores pre-stellaires détectés sont dans des filaments trans-critiques ou super-critiques pour lequel la masse par unité de longueur excède le seuil critique de l’instabilité gravitationnelle d’un filament cylindrique de gaz isotherme dont M_line ≳ M_(line,crit) ( M_(line,crit) = 2c_s/G ∼ 16M_sun est la masse par unité de longueur). Les résultats d’Herschel favorisent le paradigme de formation d’étoiles dans les filaments dans lequel : ( 1) la turbulence supersonique magnéto-hydrodynamique (MHD) à grande échelle comprime la matière pour former des structures filamentaires avec une largeur interne commune ∼ 0.1 pc; (2) Les filaments les plus denses se fragmentent et s’effondrent pour former des noyaux pré-stellaires en raison de leur instabilité gravitationnelle lorsque M_line est proche ou dépasse la masse critique par unité de longueur M_(line,crit). Il y a des indices que le champ magnétique peut être l’ingrédient ignoré pour comprendre la formation d’étoiles. L’objectif de cette thèse est de clarifier le rôle de champ magnétique dans la formation d’étoiles en utilisant des polarimètres plus sensibles et à haute résolution angulaire. Le grand programme d’observations (B-FUN) garanti avec NIKA2-Pol et alloué par l’IRAM 30m va conduire des observations d’imagerie polarimétrique à 1.2 mm pour observer des filaments moléculaires proches formant des étoiles. Durant ma thèse, j’ai contribué aux tests et à la mise en service de l’instrument NIKA2-Pol. Cet instrument a dû faire face aux plusieurs problèmes, en particulier l’effet de la polarisation instrumentale ou la fuite de l’intensité total à la polarisation. J’ai caractérisé la variation de cet effet avec plusieurs paramètres (elevation, foyer et conditions d’observations). J’ai enquêté sur l’origine de cette polarisation instrumentale affectant les données de NIKA2-Pol comme toute aute polarimetre au monde. J’ai présenté un modèle analytique qui permet de reproduire cet effet. J’ai montré comment corrigé les données de NIKA2-Pol de la polarisation instrumentale et j’ai exploité ces données pour étudier le filament d’OMC-1 dans le nuage moléculaire d’Orion A. J’ai présenté une comparaison statistique entre les résultats obtenus par les polarimètres SCUBA-POL2 et NIKA2-Pol. Ces résultats ont permis de démontrer la capacité de NIKA2-Pol à fournir des données de polarisation de haute qualitées. J’ai confirmé la présence du champ magnétique se forme d’une “hourglass” (sablier) à grande échelle dans le filament OMC-1 précédemment détecté par d’autre polarimetres. J’ai trouvé des preuves d’un possible nouvel “hourglass " centré à la position d’Orion-KL grâce à la sensibilité et la haute résolution angulaire de NIKA2-Pol. J’ai estimé l’intensité du champ magnétique dans cette région en utilisant la méthode Davis-Chandraskher-Fermi. En parallèle, j’ai utilisé les données de polarisation obtenue par le polarimetre SOFIA/HAWC+ pour étudier la géométrie/intensité du champ magnétique dans le filament B211/B213 du nuage moléculaire Taurus. Enfin, j’ai effectué une analyse du spectre de puissance des fluctuations de vitesse le long d’un échantillon de filaments dans la région de formation d’étoiles d’Aquila pour élucider les conditions initiales de la fragmentation des filaments en chaînes de noyaux denses.

Star formation in the interstellar medium has been under debate for decades. The unprecedented high-quality images provided by Herschel have shown that filaments are ubiquitous in molecular clouds and play a key role in the star formation (SF) process. These filaments have been shown to exhibit a common inner width of about ∼ 0.1 pc, and more than 75 % of the detected prestellar cores are embedded in thermally trans-critical or super-critical filaments with masses per unit length M_line ≳ M_(line,crit) (where M_(line,crit) = 2c_s/G ∼ 16M_sun is the critical mass per unit length of an isothermal filament). Herschel findings support a filament paradigm for SF in which : (1) Large-scale magnetohydrodynamic (MHD) supersonic turbulence compresses interstellar material to form a cobweb of filamentary structures with a common inner width of about ∼ 0.1 pc; (2) The densest filaments fragment to form prestellar cores due to gravitational instability when M_line is close to or exceeds the critical mass per unit length M_(line,crit). However, the detailed process of how filaments fragment into cores remains actively debated. There are hints that the magnetic field may be the ignored ingredient toward understanding SF. Planck results suggest that the B-field lines tend to be parallel to low density filaments and perpendicular to the high-density filaments. Due to the low angular resolution of Planck polarization data (10 arcmin), these observations are, however, unable to probe the magnetic field inside filaments on scales at which fragmentation occurs. The detailed knowledge of the role of magnetic fields in the SF process has therefore not yet been achieved. Constraining the B-field geometry/strength at different wavelengths and high angular resolution will help understand how magnetic fields may regulate the SF in the cold interstellar medium (ISM). This thesis aims to clarify the role of magnetic fields in SF using high-angular resolution, sensitive polarimetric instruments. The B-FUN large program with the NIKA2-Pol polarimeter on the IRAM 30m telescope will provide high angular resolution (11.7 arcsec) and sensitive polarization data toward nearby star-forming filaments. During my Ph.D., I contributed to the commissioning of NIKA2-Pol. The commissioning of NIKA2-Pol had to face several challenging issues, in particular, the instrumental polarization (IP) or intensity-to-polarization “leakage” effect. I characterized the variation of the leakage effect with several parameters (elevation, focus position, and observing conditions). I investigated the origin of the IP, and presented an analytical model for the IP leakage. I illustrated how this effect can be corrected for, leading to reliable exploitable data in a structured, extended field such as the OMC-1 filament in the Orion A molecular cloud. I presented a statistical comparison between NIKA2-Pol and SCUBA2-Pol2 results in the OMC-1 region. These results helped to demonstrate the ability of NIKA2-Pol to provide high-quality polarization data. Furthermore, I investigated the geometry/strength of the magnetic field toward the OMC-1 filament using NIKA2-Pol commissioning data. I confirmed the presence of a previously-detected largescale hourglass pattern in the magnetic field distribution, and I found evidence of a possible new local hourglass centered at the position of Orion-KL detected thanks to the NIKA2-Pol high angular resolution data. I also made estimates of the magnetic field strength in this region using the Davis-Chandraskher-Fermi method. In parallel, I used SOFIA/HAWC+ polarization data to study the magnetic field geometry/strength in the B211/B213 filament of the Taurus molecular cloud. Finally, I performed a power spectrum analysis of velocity fluctuations along a sample of filaments in the Aquila star-forming region to elucidate the initial conditions for the fragmentation of filaments into chains of dense cores.