Analysis of the interstellar dust polarized emission with the Planck Satellite Survey data

par Dana Alina

Thèse de doctorat en Astrophysique, sciences de l'espace, planétologie

Sous la direction de Jean-Philippe Bernard et de Isabelle Ristorcelli.

  • Titre traduit

    Analyse de l'émission polarisée de la poussière interstellaire à l'aide des données du satellite Planck


  • Résumé

    Cette thèse est dédiée à l'étude de la polarisation de la poussière interstellaire et est principalement basée sur l'analyse des données du satellite Planck. Tout d'abord, nous caractérisons le biais sur les paramètres de polarisation déduits des données. Nous avons mis en évidence que ce biais dépend non seulement du niveau de bruit, mais également de la corrélation entre les bruits sur les paramètres de Stokes. Nous avons développé des méthodes optimisées d'estimation de la fraction de polarisation, de l'angle de polarisation et de la fonction de dispersion de l'angle de polarisation, qui tiennent compte de la forme des matrices de covariance du bruit. Nous avons montré pour la première fois que le comportement du biais sur la fonction de dispersion d'angle est non trivial, et nous avons proposé une méthode pour évaluer la limite supérieure du biais que nous avons appliqué aux données Planck de la bande à 353 GHz. Nous avons étudié la corrélation entre la fraction de polarisation et la fonction de dispersion d'angle, ainsi que la corrélation entre la fraction de polarisation et la densité de colonne de gaz, sur de grandes fractions du ciel. Ceci nous a permis de mettre en évidence que la structure à 3 dimensions du champ magnétique affecte fortement la fraction de polarisation observée. Lorsque la direction du champ magnétique change le long de la ligne de visée ou dans le faisceau du télescope, on observe que la fraction de polarisation diminue. Nous avons comparé ce résultat à des simulations numériques basées sur la MHD magnétohydrodynamique). Une dépendance similaire de la fraction de polarisation avec la géométrie du champ magnétique y est observée. La diminution de la fraction de polarisation avec la densité de colonne était observée dans les nuages moléculaires dans des études précédentes. Nous avons généralisé ce résultat comme étant également caractéristique du milieu diffus à grande échelle. En combinaison avec les résultats des simulations MHD où un comportement similaire est observé, ceci indique que la diminution de la fraction de polarisation est principalement due aux changements de direction du champ magnétique le long de la ligne de visée. Nous avons pour la première fois déterminé la limite inférieure de la fraction de polarisation maximale réelle bservée avec Planck. Cette limite pourrait correspondre au niveau de polarisation intrinsèque de la poussière interstellaire dans les conditions les plus favorables de la géométrie du champ magnétique. De plus, la comparaison entre la polarisation en émission et en extinction nous a permis d'établir le rapport entre la fraction de polarisation dans les domaines sub-millimétrique et visible. Ce résultat apporte une contrainte forte pour de futurs modèles de la poussière interstellaire. Enfin, nous avons effectué une étude préliminaire sur les propriétés en polarisation des associations de coeurs froid détectés avec Planck. Cette analyse statistique nous permet de confirmer la diminution de la fraction de polarisation dans ces milieux, par rapport à l'environnement local à grande échelle. Nous discutons son origine en termes de perte d'efficacité de l'alignement des grains dans ces associations de coeurs denses.


  • Résumé

    This thesis is dedicated to the study of Galactic dust polarization and is mostly based on the analysis of the Planck satellite data. First, we characterize the bias on polarization parameters which are derived from the measurements. We have evidenced that it depends not only on the noise level but also on the noise correlation between the Stokes parameters. We have developed optimized methods to estimate the polarization fraction, angle and angle dispersion function, that take into account the shape of the noise covariance matrices. The peculiarity of the bias on the polarization angle dispersion function is shown for the first time, and a method for the evaluation of the upper limit on the bias is proposed and applied to the Planck 353 GHz data. We study the correlation between the polarization fraction and the polarization angle dispersion function, and also the correlation between the polarization fraction and the gas column density, over large fractions of the sky. As a result, we show that the three-dimensional structure of the magnetic field highly affects the observed polarization fraction. When the magnetic field direction changes along the line of sight or within the telescope beam, the observed polarization decreases. We observe a similar dependance of the polarization fraction with the magnetic field geometry in MHD (magnetohydrodynamics) simulations. We have evidenced the systematic decrease of the polarization fraction with column density, previously observed only in dense molecular clouds, to be general also at large scales and in the diffuse ISM. In combination with the results from MHD simulations, where a similar behavior is observed, this observational fact indicates that the decrease in the polarization fraction is mostly due to the magnetic field tangling along the line of sight. We derive for the first time the lower limit of the maximum polarization fraction observed with Planck, which could correspond to the dust intrinsic polarization fraction when the field geometry is most favorable. In addition, comparing polarization in emission with Planck and in extinction from stars observations, we find a high sub-millimeter to visible polarization fraction ratio, which will be a strong constraint for future dust models. Finally, we have performed a preliminary study on the polarization properties of Galactic cold clumps detected with Planck. This statistical analysis allows us to confirm the existence of a significant drop of the polarization fraction in the clumps, relatively to the local large scale environment. We discuss its origin in terms of efficiency loss of grain alignment in these dense clumps.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (322 p.)

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2015 TOU3 0032
  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque électronique.
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