Understanding the structure of molecular clouds : multi-line wide-field imaging of Orion B

par Jan Orkisz

Thèse de doctorat en Astrophysique et milieux dilues

Sous la direction de Jérôme Pety et de Maryvonne Gerin.

Le président du jury était Alain Abergel.

Le jury était composé de Frédérique Motte, Pierre Lesaffre, Jouni Kainulainen.

Les rapporteurs étaient Annie Zavagno, Mario Tafalla.

  • Titre traduit

    Comprendre la structure des nuages moléculaires : imagerie hyperspectrale d'Orion B


  • Résumé

    La dernière génération de récepteurs radio, dotés à la fois d'une grande bande passante et d'une haute résolution, fait de toute observation radio-astronomique une étude spectroscopique. Dans le cas de l'imagerie à grand champ du milieu interstellaire, une telle abondance de données fournit de nouveaux outils de diagnostic, mais pose aussi de nouveaux défis en termes de traitement et d'analyse des données. L'objectif du projet ORION-B est d'observer 5 degrés carrés du nuage moléculaire OB, soit près de la moitité de la surface du nuage, dans toute la bande à 3mm. L'émission de dizaines de traceurs moléculaires à été cartographiée, ce qui inclut CO et ses isotopologues, HCO, HCN, HNC, N$_2$H$^+$, le méthanol, SO, CN...L'accès à des cartes résolues spatialement pour de nombreuse espèces chimiques nous permet d'identifier les meilleurs traceurs de la densité du gaz et de son illumination. Ces cartes ont aussi été soumises à des méthodes d'apprentissage automatique, afin de segmenter le nuage moléculaire en régions caractérisées par une émission moléculaire similaire, et de quantifier les corrélations les plus importantes entre différents traceurs moléculaires, et entre les traceurs et des quantités physiques telles que la densité ou la température des poussières.La grande surface observée, combinée à une haute résolution spatiale et spectrale, permet aussi de caractériser statistiquement la cinématique et la dynamique du gaz. La fraction de quantité de mouvement dans les modes compressifs et solénoïdaux (rotationels) de la turbulence peut être calculée, ce qui montre que le nuage est dominé par des mouvements solenoidaux, tandis que les mouvements compressifs sont concentrés dans deux régions de formation stellaire. Ce résultat est cohérent avec l a très faible efficacité de formation stellaire de ce nuage, et souligne l'importance du forçage compressif pour la formation des étoiles.Les nombreux filaments identifiés dans ce nuage moléculaire ont par ailleurs des densités relativement faibles, et sont très stables vis à vis de l'effondrement gravitationnel. La plupart des filaments sont dépourvus d'étoiles jeunes, mais ils montrent des signes de fragmentation radiale et longitudinale, ce qui indique que de la formation stellaire pourrait à l'avenir y avoir lieu.


  • Résumé

    The new generation of wide-bandwidth high-resolution receivers turns almost any radio observation into a spectral survey. In the case of wide-field imaging of the interstellar medium, such a wealth of data provides new diagnostic tools, but also poses new challenges in terms of data processing and analysis. The ORION-B project aims at observing 5 square degrees of the OB molecular cloud, or about half of the cloud's surface, over the entire 3mm band. The emission of tens of molecular tracers has been mapped, including CO isotopologues, HCO, HCN, HNC, N$_2$H$^+$, methanol, SO, CN...Having access to spatially resolved maps from many molecular species enables us to identify the best tracers of the gas density and illumination. Machine learning techniques have also been applied to these maps, in order to segment the molecular cloud into typical regions based on their molecular emission, and to quantify the most meaningful correlations of different molecular tracers with each other and with physical quantities such as density or dust temperature.The wide-field coverage, together with the spatial and spectral resolution, also allows to characterize statistically the kinematics and dynamics of the gas. The amount of momentum in the compressive and solenoidal (rotational) modes of turbulence are retrieved, showing that the cloud is dominated by solenoidal motions, with the compressive modes being concentrated in two star-forming regions. This result is in line with the overall very low star formation efficiency of the cloud, and highlights the role of compressive forcing in the star formation process.The numerous filaments identified in the molecular cloud also prove to have rather low densities, and are very stable against gravitational collapse. Most filaments are starless, but they show signs of longitudinal and radial fragmentation, which indicates that star formation might occur later on.


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