The protosolar nebula heritage : the nitrogen isotopic ratio from interstellar clouds to planetary systems

par Victor de Souza Magalhaes

Thèse de doctorat en Astrophysique et milieux dilues

Sous la direction de Pierre Hily-Blant.

Soutenue le 20-12-2017

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble (laboratoire) .

Le président du jury était Claudine Kahane.

Le jury était composé de Paola Caselli, Pierre Lesaffre, Alexandre Faure.

Les rapporteurs étaient Stéphane Guilloteau, Evelyne Roueff.


  • Résumé

    L'existence de molécules interstellaires soulève une question, ces molécules sont-elles les mêmes molécules que nous voyons dans le système Solaire aujourd'hui ? C'est une question toujours ouverte qui implique des conséquences profondes. Il est possible d’éclaircir cette question en étant capables de retracer l'héritage d'un groupe de molécules chimiquement liées, ce que nous appelons un réservoir. Le meilleur outil pour retracer l'héritage des réservoirs sont les rapports isotopiques. L'élément qui montre les plus grandes variations du rapport isotopique dans le système Solaire est l'azote. Ces variations indiquent que le rapport isotopique de l'azote est sensible aux conditions physiques de la formation des étoiles.L'objectif principal de cette thèse est d'identifier les réservoirs d'azote à différents étapes de la formation des étoiles et des planètes. La première étape de cette entreprise était d'identifier le rapport isotopique de la masse principal d'azote du milieu interstellaire local aujourd'hui.Cela a été déterminé égale à 323 ± 30 à partir du rapport CN/C 15 N mesuré dans le disque protoplanétaire autour de TW Hya. Parallèlement à cela, nous avons également mesuré un rapport HCN/HC 15 N=128 ± 36 dans le disque protoplanétaire autour de MWC 480. Ces rapports isotopiques très distinctes mesurées sur les disques protoplanétaires sont une indication claire de la présence d'au moins deux réservoirs d'azote dans les disques protoplanétaires. La façon dont ces réservoirs se séparent est cependant inconnue. Cela pourrait peut-être se produire en raison de réactions de fractionnement chimique ayant lieu dans les cœurs prestellaires. Nous avions donc comme objectif d'obtenir une mesure précise et directe du rapport isotopique de l'azote des molécules d'HCN dans le cœur prestellaire L1498.Pour obtenir cette mesure, l'obstacle le plus important à surmonter était due aux anomalies hyperfines des molécules d'HCN. Ces anomalies hyperfines sont induites par le chevauchement des composants hyperfins. Ceci sont particulièrement sensibles à la densité de colonne d'HCN, mais aussi au champ de vitesses et aux largeurs de raies. Ainsi les anomalies hyperfines sont un outil de mesure de l'abondance d'HCN permettant aussi de sonder la cinématique des cœurs prestellaires.Pour reproduire avec précision les anomalies hyperfines, et ainsi mesurer des densités de colonne précises d'HCN, nous avions besoin d'explorer un espace de paramètres dégénéré de 15 dimensions. Pour minimiser les dégénérescences nous avons obtenu un profil de densité basé sur des cartes du continuum de L1498. Ceci permettant de réduire à 12 dimensions l'espace des paramètres. L'exploration de cet espace de paramètre a été fait grâce à l'utilisation d'un méthode de minimisation MCMC. Grâce à cette exploration, nous avons obtenu HCN/HC 15 N = 338 ± 28 et HCN/H 13 CN = 45 ± 3. Les incertitudes sur ces valeurs sont limités par les erreurs de calibration et sont dé-terminés de manière non arbitraire par le méthode MCMC. Les implications de ces résultats sont discutées dans le chapitre de conclusion,où nous présentons également quelques perspectives sur l'avenir.

  • Titre traduit

    Le patrimoine de la nébuleuse protosolaire : le rapport isotopique de l'azote des nuages interstellaires à des systèmes planétaires


  • Résumé

    The existence of interstellar molecules raises the question, are thesemolecules the same molecules we see on the Solar system today? Thisis still an open question with far reaching consequences. Some lightmay be shed on this issue if we are able to trace the heritage of agroup of chemically linked molecules, a so-called reservoir. The besttool to trace the heritage of reservoirs are isotopic ratios. The elementthat shows the largest isotopic ratio variations in the Solar system isnitrogen. For this is an indication that the isotopic ratio of nitrogen issensitive to the physical conditions during star formation.The main objective of this thesis is to identify the reservoirs of ni-trogen at different stages of star and planet formation. The first stepin this endeavour was to identify the isotopic ratio of the bulk of ni-trogen in the local ISM today. This was determined to be 323 ± 30from the CN/C 15 N ratio in the protoplanetary disk around TW Hya.Along with it we also measured the HCN/HC 15 N= 128 ± 36 in theprotoplanetary disk around MWC 480. This very distinct nitrogen iso-topic ratios on protoplanetary disks are a clear indication that thereare at least two reservoirs of nitrogen in protoplanetary disks. Howthese reservoirs get separated is however unknown. This could pos-sibly happen due to chemical fractionation reactions taking place inprestellar cores. We therefore aimed to obtain an accurate direct mea-surement of the nitrogen isotopic ratio of HCN in the prestellar coreL1498.To obtain this measurement the most important hurdle to overcomewere the hyperfine anomalies of HCN. These hyperfine anomaliesarise due to the overlap of hyperfine components. They are especiallysensitive to the column density of HCN, but also to the velocity fieldand line widths. Thus hyperfine anomalies are a tool to measure theabundance of HCN and to probe the kinematics of prestellar cores.To accurately reproduce the hyperfine anomalies, and thus mea-sure accurate column densities for HCN, we needed to explore adegenerate parameter space of 15 dimensions. To minimise the de-generacies we have derived a density profile based on continuummaps of L1498. This reduced the parameter space to 12 dimensions.The exploration of this parameter space was done through the useof a MCMC minimisation method. Through this exploration we ob-tained HCN/HC 15 N = 338 ± 28 and HCN/H 13 CN = 45 ± 3. Theuncertainties on these values are calibration limited and determinednon-arbitrarily by the MCMC method. Implications of these resultsare discussed in the concluding chapter, where we also present somefuture perspectives.


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