Impact de l'évolution des hydrocarbures aromatiques polycyliques sur la physique et la chimie des régions des photodissociation : une étude dans l'infrarouge et le millimétrique

par Paolo Pilleri

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Christine Joblin et de Maryvonne Gerin.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les molécules Polycycliques Aromatiques Hydrogénées (PAH) sont un constituant majeur de la matière interstellaire, contenant environ 20% de la totalité du carbone dans notre galaxie. Les PAH jouent un rôle majeur dans la physique et la chimie des régions de photo-dissociation (PDR). Dans ces environnements, l'évolution des PAH est pilotée par le champ de rayonnement ultraviolet (UV) et il a été proposé qu'elle soit liée à celle des très petites particules de poussière et aux petits hydrocarbures. Dans ce travail, nous proposons un nouvel éclairage sur ces scénarios d'évolution en combinant les analyses des données infrarouges (IR) des télescopes spatiaux ISO, Spitzer et AKARI, à de nouvelles observations dans les domaines de l'IR lointain et du sub-millimétrique obtenues par le satellite Herschel ainsi que dans le domaine millimétrique grâce aux télescopes au sol de l'IRAM. Nous avons développé une nouvelle méthode d'analyse des observations de spectro-imagerie de l'IR moyen qui permet d'étudier l'évolution des très petits grains en cours d'évaporation (eVSG) dans les PDR. Cette procédure fournit une estimation de la fraction de carbone contenu dans les eVSG par rapport au total du carbone contenu dans les espèces responsables de l'émission des Bandes Infrarouges Aromatiques (AIB). Cette quantité s'avère être reliée au champ de rayonnement UV et peut ainsi être utilisée comme sonde de l'intensité de ce rayonnement dans des sources résolues ou non spatialement. Les résultats obtenus sont également cohérents avec un scénario dans lequel la destruction des eVSG par le champ UV donne naissance à des PAH libres. Les résultats de l'analyse dans l'IR moyen sont comparés aux observations des domaines du proche IR et du millimétrique, montrant que les processus de destruction des eVSG pourraient être une source de petits hydrocarbures. Une modélisation précise de la chimie des hydrocarbures dans les PDR s'avère nécessaire pour quantifier ce scénario. Nous avons utilisé le télescope de 30m de l'IRAM pour chercher la signature rotationnelle spécifique d'un PAH individuel, le corannulène, dans le spectre millimétrique de la nébuleuse du Rectangle Rouge. En comparant à des modèles la limite supérieure d'abondance déduite de la non détection de ce PAH, nous avons pu contraindre l'abondance maximale des PAH de petite taille dans cette source. Ceci indique que ces espèces sont sous-abondantes dans les enveloppes des étoiles carbonées évoluées, et contraint les mécanismes de formation des PAH dans ces environnements. Les résultats de l'analyse dans l'infrarouge moyen sont combinés aux observations de plusieurs constituants du gaz dans l'IR lointain et le submillimétrique grâce au satellite Herschel et dans le millimétrique avec les instruments de l'IRAM afin d'étudier la géométrie, le bilan énergétique et la dynamique des PDR associées à la nébuleuse par réflexion NGC~7023. Ce sujet devrait continuer à progresser dans les années à venir grâce à de nouvelles données Herschel, mais aussi l'arrivée de futures missions spatiales JWST et SPICA et de l'interféromètre ALMA.

  • Titre traduit

    Impact of the evolution of polycyclic aromatic hydrocarbons on the physics and chemistry of photodissociation regions : a study in the infrared and millimeter domains


  • Résumé

    Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are a major constituent of interstellar matter, containing about 20% of the total carbon in our Galaxy. PAHs are known to play a major role in the chemistry and the physics of photo-dissociation regions (PDRs). In these environments, the evolution of PAHs is driven by the UV field and it has been proposed to be linked to that of very small dust particles and small molecular hydrocarbons. In this work, we provide further insights into these evolutionary scenarios by combining the analysis of infrared (IR) data from ISO, Spitzer and AKARI space telescopes with new observations in the far-IR and sub-mm domains obtained with Herschel as well as in the millimeter domain using the IRAM ground-based telescopes. We have developed a new analysis method for the mid-IR spectro-imagery observations that allows to study the photo-processing of evaporating Very Small Grains (eVSGs) in PDRs. This procedure provides an estimate of the fraction of carbon locked in eVSGs compared to all atoms in the AIB carriers. This quantity is found to be related to the UV radiation field and can therefore be used as a tracer of its intensity in both resolved and unresolved sources. The obtained results are also consistent with a scenario in which eVSGs are destroyed by the UV field, giving birth to free PAHs. The results of the mid-IR analysis are compared with near-IR and millimeter observations, showing that the destruction process of eVSGs may be a source of production of small hydrocarbons. An accurate modelling of hydrocarbon chemistry in PDRs is needed to quantitatively test this scenario. We used the IRAM 30m telescope to search for the specific rotational signatures of an individual PAH, corannulene, in the millimeter spectrum of the Red Rectangle nebula. The comparison of the derived upper limit for detection with models allows to constrain the maximum abundance of small PAHs in this source. This provides evidence that these small species are under-abundant in the envelopes of evolved carbon stars and constrains the formation mechanisms of PAHs in these environments. The results of the mid-IR analysis are combined with observations of several gas species in the far-IR and sub-millimeter with Herschel and in the millimeter with IRAM to study the geometry, energetics, and dynamics of the PDRs in the reflection nebula NGC~7023. Further progresses on this topics await for more Herschel data but also for the forthcoming JWST and SPICA space missions and the ALMA interferometer.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (174 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 157-169

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010 TOU3 0264
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.