On the multiphase structure of the turbulent neutral interstellar medium

par Antoine Marchal

Thèse de doctorat en Astronomie et Astrophysique

Sous la direction de Marc-Antoine Miville-Deschênes.

  • Titre traduit

    Etude de la structure multiphase du milieu interstellaire neutre turbulent


  • Résumé

    La formation des étoiles dans les galaxies est intimement liée aux processus physiques qui régissent l'évolution du milieu interstellaire. Les étoiles se forment dans les nuages moléculaires par effondrement gravitationnel de structures denses et froides, mais le processus qui mène à la formation de ces surdensités est encore relativement mal compris. Un des élément clé semble être lié à l'efficacité de la formation de nuages froids d'hydrogène neutre (HI), également appelé "Cold neutral Medium" (CNM).Plusieurs études ont visé à comprendre la production du CNM par condensation du "Warm Neutral Medium" (WNM) dans un écoulement turbulent et thermiquement instable à l'aide de simulations numériques. De façon générale, ces études indiquent la présence d'une fraction significative de la masse dans le régime instable (c'est-à-dire avec une température à mi-chemin entre les états stables CNM et WNM). Cependant, les conditions thermodynamiques du gaz restent largement inexplorées du point de vue de l'observation : pour aller plus loin, et comparer réellement avec les simulations numériques, il est nécessaire de cartographier la structure de densité des colonnes de chaque phase et d'étudier les variations spatiales de leurs champs de vitesse et de dispersion des vitesses. Par nature, cela nécessite le développement de méthodes pouvant extraire ces informations de données entièrement échantillonnées spatialement: l'émission de la raie à 21 cm.Un nouvel algorithme de décomposition en Gaussiènne, appelé ROHSA, est présenté dans cette thèse. Basée sur un processus multi-résolution, et utilisant un critère de moindres carrés non-linéaires régularisés prenant en compte simultanément la cohérence spatiale de l'émission et la nature multiphase du gaz, cette méthode nous permet d'inférer une vision spatialement cohérente des phases milieu interstellaire neutre.Une analyse détaillée est ensuite présentée sur un champ à haute latitude centré sur le pôle nord écliptique. En particulier, nous apportons de nouvelles contraintes sur les propriétés thermodynamiques du WNM, ainsi que sur les propriétés statistiques de la cascade turbulente agissant dans le fluide. Enfin, nous discutons dans quelles conditions l'instabilité thermique peut se développer dans ce milieu et converger vers la phase froide du milieu interstellaire neutre, le CNM.


  • Résumé

    Star formation in galaxies is strongly linked to the physical processes that govern the evolution of the interstellar medium. Stars form by gravitational collapse of dense and cold structures in molecular clouds but the process that leads to the formation of these over-densities is still unclear. One key element seems to be related to the efficiency of the formation of cold clouds of neutral hydrogen (HI) also called the Cold Neutral Medium (CNM).Several studies have aimed at understanding the production of the CNM through the condensation of the Warm Neutral Medium (WNM) in a turbulent and thermally unstable flow using numerical simulations. In general, these studies indicate the presence of a significant fraction of the mass being in the thermally unstable regime, (i.e., with a temperature mid-way between the CNM and WNM stable states). However, the thermodynamical conditions of the gas remain largely unexplored from the observational point of view.To go further, and really compare with numerical simulation that are, for now, under-constrained by observation, it is mandatory to map the column density structure of each phase and study the spatial variations of their centroid velocity and velocity dispersion. This calls for methods that can extract the information of each HI phase from fully sampled 21 cm emission data only.An original Gaussian decomposition algorithm, named ROHSA, is presented is this thesis. Based on a multi-resolution process from coarse to fine grid, and using a regularized non-linear least-square criterion to take into account simultaneously the spatial coherence of the emission and the multiphase nature of the gas, this method allows us to infer a spatially coherent vision of the three-phase neutral ISM.A detailed analysis is then presented on a high latitude HI field centred on the North Ecliptic Pole. In particular we provide new constraints on the thermodynamical properties of the WNM, and the statistical properties of the turbulent cascade acting in the fluid. Finally, we discuss under which condition the condensation mode of the thermal instability can grow in this medium and converge toward the cold phase of the neutral ISM, the CNM.


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