Origine de la masse des étoiles : universalité ou variations en fonction de la dynamique de l'environnement ?

Origin of stellar mass: universality or variations according to the dynamics of the environment?

• Auteur / Autrice : Roméo Veyry
• Direction : Frédérique Motte
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Astrophysique et Milieux Dilués
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble

Mots clés

Mots clés libres

Observatoire spatial JWST

Formation de nuages moléculaires

Observatoires interféromètriques ALMA et NOEMA

Raies moléculaires et continuum

Dynamique du gaz des nuages aux cœurs

Formation d'étoiles en amas

JWST space telescope

Molecular lines and continuum

Gas kinematics from clouds to cores

Star and stellar cluster formation

Molecular cloud formation

ALMA and NOEMA interferometric observatories

Résumé

L'objectif principal du projet de thèse est de revisiter le paradigme largement accrédité de l'universalité de la formation des étoiles, et en particulier de l'origine de la masse des étoiles. Ce paradigme stipule que la fonction de masse initiale des étoiles (appelée IMF) et la distribution des masses des cœurs (appelée CMF) sont indépendantes des propriétés des nuages moléculaires dans lesquels les étoiles se forment. Dans le cadre de ce paradigme, un cœur est en effet un fragment de nuage qui s'effondre sous l'effet de sa propre gravité pour former une étoile unique, il constitue donc le réservoir de masse pour former une étoile. Le projet de thèse proposé ici exploitera pleinement les données du Grand Programme ALMA-IMF (Motte et al. 2022) obtenues par le plus grand interféromètre submillimétrique du monde (ALMA), ses observations de suivi, ainsi que des simulations numériques menées par les groupes du CEA Saclay (Hennebelle & Gonzalez) et de l'IPAG (Bernard & Moraux). Le projet se développera dans le cadre du consortium ALMA-IMF constitué de plus de 60 chercheurs dont un tiers en France (voir https://www.almaimf.com/). Nous avons collaboré efficacement au cours des cinq dernières années (bases de données de haute qualité, 15+ articles majeurs) et proposons ensemble des projets de suivi avec ALMA ainsi qu'avec les tout nouveaux observatoires JWST (télescope spatial de la NASA) et NOEMA (interféromètre submillimétrique de l'IRAM). Parmi nos résultats sur le sujet, nous avons prouvé que la CMF des proto-amas d'étoiles massifs présentait un excès de cœurs massifs, mettant à mal l'idée de l'universalité de l'origine de la masse des étoiles (voir Motte et al. 2018 ; Pouteau et al. 2022, Y. Pouteau était en thèse sous ma direction). Nous avons également montré que ces CMFs atypiques se construisaient à partir d'un environnement présentant du gaz bien plus dense et plus dynamique que les nuages moléculaires classiques (Pouteau et al. 2023). Le doctorant effectuera un travail détaillé sur l'évolution dynamique des cœurs, ces réservoirs de masse dédiés à la formation des étoiles. Dans un premier temps, il emploiera les cubes de données traçant l'émission de nombreuses raies moléculaires, obtenus avec ALMA et NOEMA, vers plusieurs proto-amas correspondant à des environnements différents de la Voie Lactée. Il quantifiera notamment la masse des flots de gaz qui alimentent les cœurs et font ainsi évoluer la CMF pendant l'effondrement gravitationnel. Dans un second temps et dans le cadre d'une collaboration avec des modélisateurs du CEA de Saclay (ERC ECOGAL et ANR COSMHIC), le doctorant étudiera ces mêmes flots de gaz alimentant les cœurs dans les simulations numériques de pointe (code RAMSES, reconnu mondialement pour ses capacités multi-échelle et les détails de la physique implémentée). L'objectif final du projet de thèse sera ainsi de relier, pour la première fois de façon correcte, la masse des cœurs à celle des étoiles et de prédire l'évolution des CMF en une IMF sous l'influence de phénomènes dynamiques, négligés dans les théories actuelles de la formation des étoiles.

The main objective of the PhD thesis project is to revisit the widely-accredited paradigm of the universality of star formation, and in particular of the origin of stellar masses. This paradigm states that the initial mass function of stars (called the IMF) and the distribution of core masses (called CMF) are independent of the properties of the molecular clouds in which stars form. In this paradigm, a core is indeed a cloud fragment that collapses under its own gravity to form a single star, and thus constitutes the mass reservoir for star formation. The PhD thesis project proposed here will fully exploit the data from the ALMA-IMF Large Program (Motte et al. 2022) obtained by the world's largest submillimeter interferometer (ALMA), its follow-up observations, and numerical simulations carried out by groups at CEA Saclay (Hennebelle & Gonzalez) and IPAG (Bernard & Moraux). The PhD project will develop within the framework of the ALMA-IMF consortium, comprising over 60 researchers, a third of whom are based in France (see https://www.almaimf.com/). We have collaborated effectively over the past five years (high-quality databases, 15+ major articles) and together propose follow-up projects with ALMA as well as with the newest observatories JWST (NASA space telescope) and NOEMA (IRAM submillimeter interferometer). Among our results on the subject, we proved that the CMF of massive protoclusters presents an excess of massive cores, challenging the idea of the universality of the origin of stellar mass (see Motte et al. 2018; Pouteau et al. 2022, Y. Pouteau was a PhD student under my supervision). We have also shown that these atypical CMFs were built from an environment presenting gas that is much denser and more dynamic than classical molecular clouds (Pouteau et al. 2023). The PhD student will carry out detailed work on the dynamical evolution of cores, the mass reservoirs dedicated to star formation. At first, he will use data cubes tracing the emission of numerous molecular lines, obtained with ALMA and NOEMA, toward several protoclusters corresponding to different environments in the Milky Way. In particular, he will quantify the mass of the gas inflows that feed the cores and thus cause the CMF to evolve during the gravitational collapse. In a second step, as part of a collaboration with modelers at CEA Saclay (ERC ECOGAL and ANR COSMHIC), the PhD student will study these same gas inflows feeding the cores in state-of-the-art numerical simulations (RAMSES code, recognized worldwide for its multiscale capabilities and the details of the physics implemented). The ultimate goal of this thesis project will be to link, for the first time correctly, the mass of cores to that of stars, and to predict the evolution of CMFs into an IMF under the influence of dynamical phenomena, which are overlooked in current theories of star formation.