Properties and evolution of dust in the interstellar medium.
Propriétés et évolution des poussières du milieu interstellaire.
Résumé
My thesis is dedicated to the properties and evolution of the dust in the Galactic interstellar medium (ISM), particularly the small sizes end of the dust size distribution. Throughout these three years, new infrared (IR) observations provided by the Spitzer Space Telescope helped me to bring my own contribution to the knowledge of the dust lifecycle. In order to get a view as global as possible, I have studied three different interstellar environments : the diffuse Galactic medium, a molecular cloud and a star forming region.
I analyzed one line of sight that points towards the diffuse Galactic ISM, away from bright star forming regions. Combining spectroscopic and photometric data, I have built a mean Galactic near to mid IR spectrum of the dust, that I have afterwards used as a reference. The Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) bands are present on top of a continuum. In order to interpret the band intensity ratios in terms of PAHs size and ionization state, I have updated our dust model so that it takes into account the size dependent ionization state of the PAHs. The diffuse ISM spectrum is fit for a PAH mean size of about 60 carbon atoms and a cation fraction of about 40%. Molecular size and charged PAHs are thus present within the diffuse medium. A 3-5
μm continuum, first detected in reflection nebulae, is observed to be present in the diffuse ISM emission. This continuum accounts for 70% of the emission in the Spitzer/IRAC 3.6μm filter. Its origin is still unknown. I show that it is neither scattered light nor PAH fluorescence, as this process would require a photon conversion efficiency above 100%.
I used Spitzer observations to quantify spatial variations of PAHs properties across the galaxy and on small scales within the Taurus molecular cloud. Analysis of a set of Galactic diffuse ISM sight lines show that the PAHs mean size exhibits significant dispersion, from 40 to 80 carbon atoms, while their ionization fraction stays constant within error bars. I have also analyzed mid and far-IR Spitzer images of the Taurus Molecular Cloud. Each dust component (PAHs, VSGs for Very Small Grains and BGs for Big Grains) can be related to one Spitzer channel (IRAC 8, MIPS 24 and MIPS 160 microns). A first difficulty was to obtain images of the low brightness diffuse emission across the entire cloud. I worked with Spitzer Science Center (SSC) experts to produce the IRAC 8 and MIPS 24 images. For the MIPS 160 I used an inversion algorithm developed to destripe the data. I validated the photometry of each image. The observations show that PAHs are present within a surface layer thinner than that penetrated by ultraviolet photons and that of VSGs emission. Such variations cannot be only explained by the extinction and must thus trace real PAH depletion within dense gas where the smallest dust particles may stick on large grains and/or coagulate.
During my PhD thesis, I applied for a SSC Visiting Graduate Student grant in order to study the Eagle Nebula (M16), the object that made me decide to do astrophysics, more than ten years ago, when the Hubble Space Telescope imaged the iconic Pillars of Creation. My application was accepted and I spent 6 months within the MIPSGAL Science Team. My aim was to combine IRAC and MIPS data of M16 in order to analyze the properties of the dust within the dusty and gaseous structures, while being involved in the data processing enhancement. The MIPS 24 microns image defines a shell-like structure within the nebula while the pillars are observed at other wavelengths. M16 is a massive star forming region where the dust emission is expected to be powered by the massive stars radiation. However, we show that the UV field is one order of magnitude too small to account for the shell dust temperature. For comparison we analyzed several other Galactic shells. The M16 nebula stands out for having unusually high far-IR color temperature.We considered an alternative interpretation where the dust is heated by gas grain collisions. This interpretation would imply that the shell is a supernova remnant (SNR) about 3000 years old. If confirmed, the Eagle SNR would be the first one detected through dust emission and within a stellar cradle. Moreover, it would illustrate the importance of dust infrared emission within energetics of SNRs. At last, but not at least, the question of the formation and/or destruction of the iconic Pillars of Creation would be (re)opened.
I analyzed one line of sight that points towards the diffuse Galactic ISM, away from bright star forming regions. Combining spectroscopic and photometric data, I have built a mean Galactic near to mid IR spectrum of the dust, that I have afterwards used as a reference. The Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) bands are present on top of a continuum. In order to interpret the band intensity ratios in terms of PAHs size and ionization state, I have updated our dust model so that it takes into account the size dependent ionization state of the PAHs. The diffuse ISM spectrum is fit for a PAH mean size of about 60 carbon atoms and a cation fraction of about 40%. Molecular size and charged PAHs are thus present within the diffuse medium. A 3-5
μm continuum, first detected in reflection nebulae, is observed to be present in the diffuse ISM emission. This continuum accounts for 70% of the emission in the Spitzer/IRAC 3.6μm filter. Its origin is still unknown. I show that it is neither scattered light nor PAH fluorescence, as this process would require a photon conversion efficiency above 100%.
I used Spitzer observations to quantify spatial variations of PAHs properties across the galaxy and on small scales within the Taurus molecular cloud. Analysis of a set of Galactic diffuse ISM sight lines show that the PAHs mean size exhibits significant dispersion, from 40 to 80 carbon atoms, while their ionization fraction stays constant within error bars. I have also analyzed mid and far-IR Spitzer images of the Taurus Molecular Cloud. Each dust component (PAHs, VSGs for Very Small Grains and BGs for Big Grains) can be related to one Spitzer channel (IRAC 8, MIPS 24 and MIPS 160 microns). A first difficulty was to obtain images of the low brightness diffuse emission across the entire cloud. I worked with Spitzer Science Center (SSC) experts to produce the IRAC 8 and MIPS 24 images. For the MIPS 160 I used an inversion algorithm developed to destripe the data. I validated the photometry of each image. The observations show that PAHs are present within a surface layer thinner than that penetrated by ultraviolet photons and that of VSGs emission. Such variations cannot be only explained by the extinction and must thus trace real PAH depletion within dense gas where the smallest dust particles may stick on large grains and/or coagulate.
During my PhD thesis, I applied for a SSC Visiting Graduate Student grant in order to study the Eagle Nebula (M16), the object that made me decide to do astrophysics, more than ten years ago, when the Hubble Space Telescope imaged the iconic Pillars of Creation. My application was accepted and I spent 6 months within the MIPSGAL Science Team. My aim was to combine IRAC and MIPS data of M16 in order to analyze the properties of the dust within the dusty and gaseous structures, while being involved in the data processing enhancement. The MIPS 24 microns image defines a shell-like structure within the nebula while the pillars are observed at other wavelengths. M16 is a massive star forming region where the dust emission is expected to be powered by the massive stars radiation. However, we show that the UV field is one order of magnitude too small to account for the shell dust temperature. For comparison we analyzed several other Galactic shells. The M16 nebula stands out for having unusually high far-IR color temperature.We considered an alternative interpretation where the dust is heated by gas grain collisions. This interpretation would imply that the shell is a supernova remnant (SNR) about 3000 years old. If confirmed, the Eagle SNR would be the first one detected through dust emission and within a stellar cradle. Moreover, it would illustrate the importance of dust infrared emission within energetics of SNRs. At last, but not at least, the question of the formation and/or destruction of the iconic Pillars of Creation would be (re)opened.
Ma thèse est dédiée aux propriétés et à l'évolution des poussières dans le milieu interstellaire (MIS) Galactique et en particulier aux plus petites tailles de la distribution des grains. Tout au long de ces trois années, de nouvelles observations infrarouges (IR) du télescope spatial Spitzer m'ont permis d'apporter ma propre contribution à la connaissance du cycle de vie des poussières. Afin d'en acquérir une vision la plus globale possible, j'ai étudié trois types d'environnements interstellaires différents : le milieu diffus Galactique, un nuage moléculaire et une région de formation d'étoiles.
J'ai analysé une ligne de visée qui pointe en direction du MIS diffus Galactique, en évitant les régions brillantes de formation d'étoiles. En combinant des données spectroscopiques et photométriques, j'ai construit un spectre Galactique moyen de l'émission de la poussière dans le proche et moyen IR, qui m'a ensuite servi de référence. Les bandes des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont visibles ainsi qu'un continuum. Afin d'interpréter les rapports
d'intensité des bandes en termes de taille et d'état d'ionisation des HAPs, j'ai mis à jour notre modèle de poussières, de telle sorte qu'il tienne compte de la dépendance de l'état d'ionisation des HAPs en fonction de leur taille. Le spectre du MIS diffus est ajusté pour une taille moyenne des HAPs de 60 atomes de carbone et pour une fraction de cation de 40%. Des HAPs de taille moléculaire et chargés sont donc présents dans le milieu diffus. Un continuum vers 3-5 μm, originellement détecté dans des nébuleuses par réflexion, est également présent dans l'émission du MIS diffus. Ce continuum explique 70% de l'émission dans le filtre Spitzer/IRAC à 3.6 μm. Son origine demeure inconnue. Je montre qu'il ne s'agit ni de lumière diffusée ni de fluorescence des HAPs puisque ce processus requiert une efficacité de conversion des photons supérieure à 100%.
J'ai utilisé les observations Spitzer pour quantifier les variations spatiales des propriétés des HAPs à travers la Galaxie et sur de petites échelles dans le nuage moléculaire du Taureau. L'analyse d'un échantillon de lignes de visée du MIS diffus Galactique montre que la taille moyenne des HAPs varie de manière signiffcative, de 40 à 80 atomes de carbone, tandis que leur fraction d'ionisation demeure constante dans les barres d'erreur. J'ai également analysé les images Spitzer du nuage moléculaire du Taureau dans l'IR moyen et lointain. Chaque composante de poussières (HAPs, TPGs pour Très Petits Grains et GGs pour Gros Grains) peut être associée à un canal Spitzer (IRAC 8, MIPS 24 et MIPS 160 μm). Une première difficulté était d'obtenir les images de l'émission diffuse de faible brillance pour le nuage complet. J'ai travaillé avec les spécialistes du Centre Spatial Spitzer (CSS) afin de produire les images IRAC 8 μm et MIPS 24 μm. Pour MIPS 160 μm, j'ai utilisé un algorithme d'inversion développé pour supprimer certains effets instrumentaux des données. J'ai validé la photométrie de ces images. Les observations montrent que les HAPs sont seulement présents au sein d'une couche en surface plus fine que celle pénétrée par les photons ultraviolets et que celle où émettent les TPGs. Ces variations ne peuvent être expliquées par un simple effet d'extinction et révèlent une réelle disparition des HAPs dans le gaz dense où les plus petites particules pourraient se coller sur les plus gros grains et/ou coaguler.
Pendant ma thèse, j'ai postulé à une bourse du CSS dans le but d'étudier la Nébuleuse de l'Aigle (M16), l'objet céleste qui m'a décidé à faire de l'astrophysique, il y a plus de dix ans, lorsque le télescope spatial Hubble a photographié les fameux Piliers de la Création. Ma candidature a été acceptée et j'ai passé six mois au sein de l'équipe scientifique MIPSGAL. Mon objectif était de combiner les données IRAC et MIPS de M16 afin d'analyser les propriétés des grains dans les structures de gaz et de poussières, tout en m'impliquant dans le traitement des données. L'image MIPS à 24 μm révèle une structure en forme de coquille à l'intérieur de la nébuleuse tandis que les piliers sont visibles aux autres longueurs d'onde. M16 est une région de formation d'étoiles massives où l'émission de la poussière est censée être alimentée par le rayonnement des étoiles massives. Cependant, nous montrons que le champ de rayonnement ultraviolet est un ordre de grandeur plus faible que celui requis pour expliquer la température de la poussière dans la coquille. À des fins comparatives, nous avons également analysé plusieurs autres coquilles Galactiques. La Nébuleuse de l'Aigle est particulière dans le sens où elle possède une température de couleur IR lointain inhabituellement élevée. Nous avons envisagé une interprétation selon laquelle la poussière est chauffée par les collisions avec le gaz. Cette interprétation implique que la coquille est un reste de supernova (RSN) d'environ 3000 ans. Si cela était confirmé, le RSN de l'Aigle serait le premier détecté grâce à l'émission de la poussière et au sein d'une pouponnière stellaire. De plus, cela illustrerait l'importance de l'émission infrarouge de la poussière dans l'étude énergétique des RSNs. Dernier point, et non des moindres, la question de la formation et/ou destruction des fameux Piliers de la Creation serait (ré)ouverte.
J'ai analysé une ligne de visée qui pointe en direction du MIS diffus Galactique, en évitant les régions brillantes de formation d'étoiles. En combinant des données spectroscopiques et photométriques, j'ai construit un spectre Galactique moyen de l'émission de la poussière dans le proche et moyen IR, qui m'a ensuite servi de référence. Les bandes des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAPs) sont visibles ainsi qu'un continuum. Afin d'interpréter les rapports
d'intensité des bandes en termes de taille et d'état d'ionisation des HAPs, j'ai mis à jour notre modèle de poussières, de telle sorte qu'il tienne compte de la dépendance de l'état d'ionisation des HAPs en fonction de leur taille. Le spectre du MIS diffus est ajusté pour une taille moyenne des HAPs de 60 atomes de carbone et pour une fraction de cation de 40%. Des HAPs de taille moléculaire et chargés sont donc présents dans le milieu diffus. Un continuum vers 3-5 μm, originellement détecté dans des nébuleuses par réflexion, est également présent dans l'émission du MIS diffus. Ce continuum explique 70% de l'émission dans le filtre Spitzer/IRAC à 3.6 μm. Son origine demeure inconnue. Je montre qu'il ne s'agit ni de lumière diffusée ni de fluorescence des HAPs puisque ce processus requiert une efficacité de conversion des photons supérieure à 100%.
J'ai utilisé les observations Spitzer pour quantifier les variations spatiales des propriétés des HAPs à travers la Galaxie et sur de petites échelles dans le nuage moléculaire du Taureau. L'analyse d'un échantillon de lignes de visée du MIS diffus Galactique montre que la taille moyenne des HAPs varie de manière signiffcative, de 40 à 80 atomes de carbone, tandis que leur fraction d'ionisation demeure constante dans les barres d'erreur. J'ai également analysé les images Spitzer du nuage moléculaire du Taureau dans l'IR moyen et lointain. Chaque composante de poussières (HAPs, TPGs pour Très Petits Grains et GGs pour Gros Grains) peut être associée à un canal Spitzer (IRAC 8, MIPS 24 et MIPS 160 μm). Une première difficulté était d'obtenir les images de l'émission diffuse de faible brillance pour le nuage complet. J'ai travaillé avec les spécialistes du Centre Spatial Spitzer (CSS) afin de produire les images IRAC 8 μm et MIPS 24 μm. Pour MIPS 160 μm, j'ai utilisé un algorithme d'inversion développé pour supprimer certains effets instrumentaux des données. J'ai validé la photométrie de ces images. Les observations montrent que les HAPs sont seulement présents au sein d'une couche en surface plus fine que celle pénétrée par les photons ultraviolets et que celle où émettent les TPGs. Ces variations ne peuvent être expliquées par un simple effet d'extinction et révèlent une réelle disparition des HAPs dans le gaz dense où les plus petites particules pourraient se coller sur les plus gros grains et/ou coaguler.
Pendant ma thèse, j'ai postulé à une bourse du CSS dans le but d'étudier la Nébuleuse de l'Aigle (M16), l'objet céleste qui m'a décidé à faire de l'astrophysique, il y a plus de dix ans, lorsque le télescope spatial Hubble a photographié les fameux Piliers de la Création. Ma candidature a été acceptée et j'ai passé six mois au sein de l'équipe scientifique MIPSGAL. Mon objectif était de combiner les données IRAC et MIPS de M16 afin d'analyser les propriétés des grains dans les structures de gaz et de poussières, tout en m'impliquant dans le traitement des données. L'image MIPS à 24 μm révèle une structure en forme de coquille à l'intérieur de la nébuleuse tandis que les piliers sont visibles aux autres longueurs d'onde. M16 est une région de formation d'étoiles massives où l'émission de la poussière est censée être alimentée par le rayonnement des étoiles massives. Cependant, nous montrons que le champ de rayonnement ultraviolet est un ordre de grandeur plus faible que celui requis pour expliquer la température de la poussière dans la coquille. À des fins comparatives, nous avons également analysé plusieurs autres coquilles Galactiques. La Nébuleuse de l'Aigle est particulière dans le sens où elle possède une température de couleur IR lointain inhabituellement élevée. Nous avons envisagé une interprétation selon laquelle la poussière est chauffée par les collisions avec le gaz. Cette interprétation implique que la coquille est un reste de supernova (RSN) d'environ 3000 ans. Si cela était confirmé, le RSN de l'Aigle serait le premier détecté grâce à l'émission de la poussière et au sein d'une pouponnière stellaire. De plus, cela illustrerait l'importance de l'émission infrarouge de la poussière dans l'étude énergétique des RSNs. Dernier point, et non des moindres, la question de la formation et/ou destruction des fameux Piliers de la Creation serait (ré)ouverte.
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