La deutération de l'eau dans les régions de formation stellaire : apport des données spectroscopiques Herschel/HIFI

par Audrey Coutens

Thèse de doctorat en Astrophysique

Sous la direction de Charlotte Vastel et de Emmanuel Caux.

Soutenue en 2012

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    L'eau (H2O) est une des molécules les plus abondantes du milieu interstellaire. En plus d'être un ingrédient nécessaire à l'apparition de la Vie, elle joue également un rôle important dans le processus de formation stellaire à travers le refroidissement du gaz chaud et contrôle aussi la chimie de nombreuses autres espèces, que ce soit en phase gazeuse ou à la surface des grains. Etudier sa forme deutérée HDO constitue un moyen unique, à travers l'estimation du rapport HDO/H2O, de contraindre les mécanismes de formation de l'eau ainsi que de mieux comprendre l'origine de l'eau des océans terrestres. Les résultats récents obtenus avec le satellite Herschel montrent en effet que le rapport HDO/H2O observé dans les comètes est similaire à celui mesuré dans les océans (~ 1. 5 10-4), suggérant que l'eau pourrait avoir été apportée sur Terre par les comètes lors de grands bombardements (Hartogh et al. 2011). Dans cette thèse, je me suis intéressée à l'étude de l'eau deutérée durant les premières étapes de la formation stellaire, la phase de Classe 0, qui précèdent la formation du disque proto-planétaire menant à la naissance des planètes et des comètes. En modélisant avec un code 1D de transfert radiatif hors-Equilibre Thermodynamique Local les profils des nombreuses raies de HDO et H218O observées avec l'instrument HIFI (Heterodyne Instrument for Far-Infrared) de l'Observatoire Spatial Herschel et des télescopes terrestres (IRAM, JCMT), j'ai déterminé des rapports HDO/H2O de la proto-étoile de type solaire IRAS 16293-2422 de l'ordre de 2% dans le hot corino, la partie interne de l'enveloppe suffisamment chaude (T>100 K) pour que les molécules d'eau collées à la surface des grains désorbent en phase gazeuse, et de 0. 5% dans l'enveloppe externe plus froide. Grâce à ce travail (Coutens et al. 2012), la présence en avant-plan d'une couche d'absorption riche en eau a été mise en évidence observationnellement pour la première fois. Elle pourrait être due à des processus de photo-désorption des molécules d'eau piégées dans les manteaux de glace des grains, en bordure de nuage moléculaire, par le champ interstellaire UV. Les estimations des rapports HDO/H2O ainsi que D2O/HDO dans cette source permettent de contraindre les conditions de formation de l'eau dans ce type d'objet et suggèrent notamment que l'eau se serait probablement formée avant l'effondrement gravitationnel du nuage. Cette étude a ensuite été étendue à d'autres proto-étoiles de type solaire NGC 333 IRAS4A et NGC1333 IRAS4B pour lesquelles j'ai estimé les abondances d'eau deutérée et constaté qu'une couche d'absorption étendue entourait également ces sources. Les rapports HDO/H2O élevés de la proto-étoile IRAS 16293-2422 suggèrent que des mécanismes nécessaires à la diminution de ces rapports isotopiques prennent place entre l'étape de Classe 0 et la formation des comètes. Il faudra néanmoins étudier un plus grand échantillon de proto-étoiles pour savoir si cette tendance est générale ou non. Les abondances de HDO obtenues dans les proto-étoiles NGC1333 IRAS4A et NGC1333 IRAS4B serviront donc à de prochaines estimations des rapports HDO/H2O. Enfin, je me suis également attachée à étudier l'eau deutérée dans des sources proto-stellaires beaucoup plus massives et plus lumineuses que les proto-étoiles de type solaire et présente ici le cas de la région HII ultra-compacte G34. 26+0. 15.

  • Titre traduit

    Water deuteration in star-forming regions : contribution of herschel/HIFI spectroscopic data


  • Résumé

    Water (H2O) is one of the most abundant molecules in the interstellar medium. In addition to being a primordial ingredient in the emergence of life, this species plays an essential role in the process of star formation through the cooling of warm gas. It also controls the chemistry for many species, either in the gas phase or on the grain surfaces. Studying its deuterated form HDO is a unique opportunity, through the estimation of the HDO/H2O ratio, to constrain the mechanisms of water formation and to better understand the origin of water contained in terrestrial oceans. Indeed, recent results obtained with the Herschel satellite show that the HDO/H2O ratio observed in comets is similar to the value measured in oceans (~ 1. 5 10-4), which suggests that comets could have brought a large fraction to Earth to form the oceans during heavy bombardments (Hartogh et al. 2011). In this thesis, I was interested in the study of deuterated water in the first stages of star formation, the Class 0 stage, which precede the formation of the protoplanetary disk leading to the birth of comets and planets. Through a 1D non-Local Thermodynamic Equilibrium radiative transfer modeling of the line profiles of the numerous HDO and H218O transitions detected with the HIFI (Heterodyne Instrument for Far-Infrared) instrument onboard the Herschel Space Observatory and ground-based telescopes (IRAM, JCMT), I determined that the HDO/H2O ratios of the solar-type protostar IRAS 16293-2422 was about 2% in the hot corino, the inner part of the protostellar envelope sufficiently warm (T > 100 K) to desorb in gas phase the water molecules trapped in the icy grain mantles, and about 0. 5% in the colder part of the envelope. This study (Coutens et al. 2012) also allowed me to show that an absorbing layer rich in water surrounds the protostar. This layer could be produced by the photo-desorption through the UV field of the water molecules frozen on the grains, on the edges of the molecular cloud. The HDO/H2O ratios as well as the D2O/HDO ratios determined in IRAS 16293-2422 enable to constrain the conditions of water formation in this kind of objects and in particular suggest that water would be formed before the gravitational collapse of the cloud. This study was then extended to other solar-type protostars NGC1333 IRAS4A and NGC1333 IRAS4B, for which I estimated the abundances of deuterated water and noticed that an extended absorbing layer also surrounds these sources. The high HDO/H2O ratios determined in IRAS 16293-2422 suggest that mechanisms are required between the Class 0 stage and the comets formation to decrease these isotopic ratios. It is however necessary to study a larger sample of protostars to know if this trend is observed in most of the sources. The HDO abundances obtained in NGC1333 IRAS4A and NGC1333 IRAS4B will consequently be useful to estimate their HDO/H2O ratios. Finally, I also studied deuterated water in protostellar objects more massive and more luminous than solar-type protostars and show here the case of the ultra-compact HII region G34. 26+0. 15.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2012 par [CCSD] à Villeurbanne

La deutération de l'eau dans les régions de formation stellaire : apport des données spectroscopiques Herschel/HIFI

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Informations

  • Détails : 1 vol. (229 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 213-229

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2012 TOU3 0151

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  • Bibliothèque : Observatoire de Paris (Section de Meudon). Bibliothèque.
  • PEB soumis à condition
  • Cote : MMf-T517
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