Photophysique et évolution des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques cosmiques à l’ère du télescope spatial James Webb

Soutenance de thèse de Sacha Foschino

Résumé de la thèse :

Les spectres infrarouges des galaxies et de nombreux objets de la Voie Lactée sont dominés par des bandes spectrales intenses, localisées à 3.3, 6.2, 7.7, 8.6, 11.2, et 12.7μm, nommées “bandes aromatiques infrarouges” (AIB). Elles sont attribuées au refroidissement d’une classe de molécules appelées “hydrocarbures aromatiques polycycliques” (PAH), excitées par l’absorption des photons ultraviolets (UV) interstellaires. Les PAH jouent un rôle clé dans la physique des environnements dominés par le rayonnement UV, appelées régions de photodissociation (PDR). En particulier, ils ont une contribution majeure au chauffage du gaz par effet photoélectrique (effet PE). Les PAH jouent par ailleurs un rôle important dans l’extinction du rayonnement des étoiles, et dans la chimie du gaz, avec un rôle catalytique possible dans la formation de la molécule la plus abondante de l’univers, H2. Cependant, à ce jour aucun PAH spécifique n’a pu être identifié, ce qui rend délicat la description, dans les modèles, de leur contribution à la physique et la chimie des milieux. En particulier la contribution de l’effet PE au chauffage du gaz est prise en compte dans de nombreux codes astrophysiques. Il est néanmoins possible d’obtenir des informations globales sur les familles de PAH interstellaires, en se basant sur l’analyse des spectres AIB et de leurs variations. Ceci peut être réalisé en utilisant des méthodes d’apprentissage basées sur la séparation aveugle de sources (SAS), qui permettent d’extraire des spectres d’émission infrarouge représentatifs de populations moyennes de PAH. Le premier volet de cette thèse a consisté à améliorer les approches basées sur la SAS dans le contexte de l’arrivée du futur observatoire spatial infrarouge JWST. En effet, les méthodes existantes étaient limitées par deux aspects : leur incapacité à traiter de gros volumes de données comme celles qui seront fournies par le JWST, et le fait que leur initialisation, réalisée de manière aléatoire, implique une non-stabilité des résultats. Pour résoudre ces problèmes, j’ai proposé et testé, un protocole basé sur une méthode de SAS hybride issue d’études antérieures. Cette approche a été testée sur un jeu de données d’archives (spectres SWS du satellite ISO) qui présente des caractéristiques semblables d’un point de vue spectral à celle du JWST. Ces tests ont permis de démontrer la robustesse et la rapidité de l’approche et les perspectives à venir pour l’analyse des données du JWST. Par ailleurs, nous avons obtenu de nouvelles informations sur la nature des porteurs des AIB avec, en particulier, une première analyse du domaine à 3 μm. Le deuxième volet de cette thèse a concerné l’étude de l’influence de l’évolution de l’état de charge des PAH sur le chauffage du gaz par effet PE sur les PAH. C’est notamment son effet sur l’efficacité de ce processus qui a été étudié, en se focalisant sur l’objet NGC 7023. En combinant des données d’émission de refroidissement du gaz et des PAH, j’ai pu cartographier l’efficacité du chauffage sur une majeure partie de l’objet. J’ai également élaboré un modèle de chauffage du gaz par les PAH utilisant des données moléculaires provenant d’expériences de laboratoire et de calculs de chimie quantique. La fraction d’ionisation des PAH est un paramètre calculé par le modèle. Observationnellement, cette dernière est obtenue avec l’outil PAHTAT. Les évolutions des valeurs calculées et observées de l’efficacité du chauffage sont semblables et montrent toutes les deux que la fraction d’ionisation des PAH dans un milieu régule l’efficacité du chauffage du gaz par effet PE. La taille des PAH influence peu ce résultat, en revanche le modèle montre qu’une connaissance plus précise de l’énergie cinétique des photoélectrons est cruciale pour avancer dans ce domaine.

Composition du jury de thèse :

• Olivier Berné (IRAP), directeur de thèse
• Christine Joblin (IRAP), co-directrice de thèse
• Laurent Verstraete (IAS), rapporteur
• Vincent Guillet (IAS, LUPM), rapporteur
• Isabelle Ristorcelli (IRAP), examinatrice
• Yannick Deville (IRAP), examinateur
• Émilie Habart (IAS), examinatrice
• Frédéric Galliano (AIM), examinateur