Thèse Etude Multi-Echelles des Propriétés Physiques des Bulles Filaments et Cœurs Denses Formant les Étoiles Observations de l'Infrarouge au Domaine Millimétrique et Comparaison aux Simulations Nu H/F

Doctorat_Gouv

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Astronomie et Astrophysique d'Ile de France
Laboratoire de recherche : Astrophysique Instrumentation Modélisation
Direction de la thèse : Philippe ANDRE ORCID 0000000234132293
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Comprendre la formation des étoiles dans le milieu interstellaire froid des galaxies est essentiel en astrophysique. Deux questions fondamentales se posent : 1) la régulation de l'efficacité de la formation d'étoiles (SFE) dans les nuages moléculaires géants (GMCs) et 2) l'origine de la distribution des masses stellaires ou « fonction de masse initiale » (IMF). Les résultats obtenus dans le domaine sub-millimétrique avec l'observatoire spatial Herschel suggèrent qu'il est possible de comprendre à la fois le taux de formation stellaire global dans les galaxies et l'IMF en étudiant le processus de croissance de structures denses (bulles, nuages, filaments et coeurs pré-stellaires) dans le milieu interstellaire de notre propre Galaxie. En particulier, les résultats d'Herschel sur les nuages moléculaires proches ont souligné le rôle clé des filaments de gaz dense dans le processus de formation stellaire ([1], [3]). En parallèle, les données obtenues avec le satellite Planck en émission polarisée des poussières froides suggèrent que la formation et l'évolution des filaments moléculaires est en grande partie contrôlée par le champ magnétique ([4], [6], [8]). Les résultats d'Herschel et de Planck conduisent donc à favoriser un scénario dans lequel la croissance et la fragmentation de filaments interstellaires magnétisés représentent une étape fondamentale vers la formation des étoiles ([1], [7]).
Dans ce paradigme, le gaz moléculaire dense des galaxies est principalement constitué de filaments; la masse linéique critique (~16 Msol/pc) des filaments de gaz à ~10 K établit une transition naturelle entre le gaz de faible densité et le gaz dense formant les étoiles; la majorité des coeurs pré-stellaires résultent de la fragmentation gravitationnelle de filaments de ~0.1 pc de largeur dont les masses linéiques sont supercritiques (>16 Msol/pc); l'efficacité de formation des coeurs pré-stellaires (CFE) et la SFE sont à peu près constantes au-dessus de la masse linéique critique. Le paradigme filamentaire suggère que la SFE globale à l'échelle des GMCs et l'IMF sont en grande partie déterminées par les mécanismes régissant 1) la formation des filaments denses supercritiques et 2) la fragmentation et l'évolution de ces filaments denses. Ce paradigme postule aussi que les propriétés de fragmentation des filaments proches (de faible masse) sont représentatives des filaments plus distants et plus massifs. Cependant, l'étude des nuages proches (formant principalement des étoiles de faible masse) ne renseigne ni sur la dépendance de la SFE avec la densité des nuages, ni sur l'origine de l'IMF pour les plus grandes masses.
La thèse proposée vise a) à évaluer l'importance du paradigme filamentaire dans les GMCs plus lointains, denses et massifs, b) à comprendre et à quantifier le rôle des bulles dans la formation des filaments (cf. [5]) et c) à clarifier la nature du processus de fragmentation des filaments à l'origine des coeurs denses pré-stellaires formant directement les étoiles en utilisant :
1) des observations à haute résolution angulaire avec le JWST (cf. [2]), ainsi que des observations submillimétriques complémentaires avec ALMA et la caméra ArTéMiS, développée au CEA/Irfu pour le télescope APEX (grand programme « CAFFEINE ») ;
2) des observations existantes et de suivi de la cinématique du gaz par les raies moléculaires avec IRAM, APEX, ALMA, d'une part, et du champ magnétique par l'émission polarisée des poussières avec le nouveau polarimètre NIKA2-Pol sur le télescope de 30m de l'IRAM, d'autre part (grand programme « B-FUN », PI Ph. André) ;
3) des comparaisons à des simulations 3D de pointe (MHD non idéale) de filaments se formant à la surface de bulles interstellaires HI et de régions HII effectuées par le Dr. D. Abe, issu du groupe d'astrophysique théorique de l'Université de Nagoya (Japon ; collaboration avec le Prof S. Inutsuka - cf. [4]) et actuellement en post-doc JSPS dans notre groupe.

Résultats d'Herschel, de Planck et du JWST sur la structure filamentaire du milieu interstellaire et l'importance des bulles interstellaires et du champ magnétique pour la structuration du gaz à grande échelle.

Caractérisation des propriétés physiques des coeurs denses protostellaires, filaments et bulles interstellaires à différentes échelles dans les régions de formation stellaire.

Exploitation d'observations infrarouges avec le JWST et submillimétriques/millimétriques avec Herschel, Planck, IRAM, APEX, ALMA et infrarouges avec le JWST. Comparaison avec des simulations numériques.