Nouveaux aperçus sur les propriétés des poussières à partir des données Planck en intensité et polarisation

par Lapo Fanciullo

Thèse de doctorat en Sciences de l'Univers

Sous la direction de Vincent Guillet et de François Boulanger.

Soutenue le 16-12-2015

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Astronomie et astrophysique d'Île-de-France (Meudon, Hauts-de-Seine) , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Institut d'astrophysique spatiale (Orsay, Essonne ; 1998-....) (laboratoire) .


  • Résumé

    Les poussières interstellaires sont une composante clé du milieu interstellaire (MIS). Elles jouent non seulement un rôleimportant dans la physique et la chimie du MIS, mais elles servent également de traceur, du gaz via leur émissionthermique, et du champ magnétique interstellaire via la polarisation de cette émission.De nombreux modèles de poussières reproduisent les principales observables sur les poussières (la courbe d'extinction,la distribution spectrale d'énergie (SED), la polarisation en extinction et en émission), tout en respectant les abundancecosmiques élémentaires. Notre compréhension des poussières reste cependant toujours incomplète, en particulier surl'origine physique des variations de l'extinction et de l'émission des poussières dans le MIS. Le changement d'opacitédes poussières entre le milieu diffus et les nuages moléculaires est bien établi, et des modèles physiques d'interprétationont été proposés. Avec ses cartes de l'émission submillimétrique de tout le ciel à plusieurs longueurs d'onde, le surveysubmillimétrique de Planck nous permet pour la première fois de mesurer la température des poussières, et d'étudierainsi les variations d'opacité des poussières dans le milieu diffus.Cette thèse, basée sur une comparaison des données Planck avec des mesures en extinction en direction d'étoiles et dequasars, combine modélisation et analyse de données, afin de contraindre les variations des propriétés optiques despoussières dans le MIS diffus, et d'estimer les contributions respectives de l'alignement et de l'évolution des poussières àleur émission polarisée.La première partie de la thèse se focalise sur l'émission non polarisée des poussières dans le MIS diffus. L'étude desvariations de l'émission par unité d'extinction permet de contraindre les variations des propriétées optiques despoussières. Nous fittons les 20 SEDs normalisées en extinction de Planck Intermediate Results XXIX à l'aide de troismodèles de poussière (Draine & Li 2007, Compiegne et al 2011, Jones etal 2013). Le meilleur accord entre modèle etobservations est obtenu pour le modèle utilisant les grains plus émissifs (Jones 2013), dont les propriétés optiques sontbasées sur des données de laboratoires portant sur les silicates et carbones amorphes. En combinant la mesure del'extinction et de la SED sur la même ligne de visée, nous obtenons un nouvel estimateur de l'intensité du rayonnementinterstellaire G0,, qui s'avère moins biaisé que celui obtenu par un fit de la SED. Aucun des modèles n'arrive àreproduire simultanément les variations de G0 et de la SED à propriétés optiques des poussières fixes. A l'aide de notreestimateur, nous démontrons que la variation des propriétées optiques et de l'intensité du rayonnement interstellaire ontdes contributions semblables aux variations observées des SED dans le MIS diffus.La seconde partie de la thèse se focalise sur l'extinction et l'émission polarisées dans les nuages moléculaires. Enconfrontant des données Planck et des observations stellaires à un modèle de poussières, nous tentons de séparer leseffets dûs aux variations de l'alignement des poussières des effets dûs aux variations de leurs propriétés optiques. Noustrouvons une corrélation entre le rapport de la polarisation en émission à la polarisation en extinction, RP/p = P353/pv, et lalongueur d'onde de polarisation maximale en extinction, λmax, qui trace la taille typique des grains alignés. A l'aide d'unnouveau modèle de poussières basé sur les données Planck, nous démontrons que la variation de la taille minimale desgrains alignés suffit à elle seule à reproduire la corrélation observée, sans avoir à modifier ni la distribution en taille niles propriétés optiques des poussières, et qu'elle est de plus compatible avec la chute observée des fractions depolarisation avec λmax. D'autres interprétations ne sont cependant pas exclues.

  • Titre traduit

    New insights on dust properties from Planck intensity and polarization data


  • Résumé

    Interstellar dust is a key component of the interstellar medium (ISM). Not only does it play an important role in thephysics and chemistry of the ISM, but its thermal emission can be used to trace the gas column density, and itspolarization angle to trace the magnetic field orientation projected on the plane of the sky.Different dust models have been built to reproduce the main dust observables: extinction curve and albedo, spectralenergy distribution (SED) from the near-infrared to the microwave continuum, polarization in extinction and emission,within cosmic elemental abundance constraints. Our understanding of interstellar dust is, however, still incomplete;among other things, we do not fully understand the local variations in the emission and extinction properties of dust.The variation of the dust far-infrared opacity from the diffuse ISM to molecular clouds is well established, and modelshave been proposed. With the Planck submillimeter survey we have, for the first time, a multi-wavelength, all-sky mapof dust emission allowing for a precise measure of dust temperature, and therefore of dust opacity variations in thediffuse ISM.This thesis, based on the comparison of Planck data with extinction measures toward stars and QSOs, makes use of bothdust models and data analysis to constrain the dust optical properties and evolution within the diffuse ISM, and toimprove our understanding on the interplay between grain alignment and dust optical properties in the emission ofpolarized thermal radiation.The first half of the thesis focuses on the total emission of dust in the diffuse ISM. The variations in the ratio of dustemission to extinction is used to constrain the variations of the dust optical properties. We fit the 20 SEDs normalizedper unit extinction of Planck intermediate results XXIX with three dust models (Draine & Li 2007, Compiegne et al2011, Jones et al 2013). The best agreement between model and observations is obtained for the model with the moreemissive grains (Jones 2013), with optical properties derived from recent laboratory data on silicates and amorphouscarbons. We develop a new estimator of the radiation field intensity G0, which combines the dust SED and theextinction on the same line of sight. We show that this new estimator is less biased than the one obtained through thefitting of the dust SED. With their fixed optical properties, none of the models can simultaneously reproduce thevariations of G0 and of the shape of the SED. With our new estimator of G0, we demonstrate that the variations in thedust optical properties and in the radiation field intensity give similar contributions to the scatter observed in the dustSED per unit extinction in the diffuse ISM.The second half of the thesis focuses on polarized dust extinction and emission in molecular clouds. By confrontingPlanck and stellar observations to a dust model, we attempt to disentangle the effects of variations in the dust opticalproperties from the effects of variations in the grain alignment. We find a correlation between the ratio of polarizedemission to polarized extinction, RP/p = P353/pv, and the wavelength of maximum polarization in extinction, λmax, whichtraces the typical size of the aligned grains. Using a new dust model for polarization based on Planck data, we show thatthe variation of the minimal size of aligned grains can reproduce the observed correlation, without any need for achange in the size distribution or in the optical properties of grains. This scenario is also compatible with the drop of thefractions of polarization with λmax. Alternative models cannot however be ruled out.


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