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 NUMÉRIQUES // MULTI-SCALE STUDY OF THE PHYSICAL PROPERTIES OF ST

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 cœurs 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 cœurs 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 cœurs 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.
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Understanding the complex growth of structure leading to star formation in the cold interstellar medium of galaxies is central in astrophysics. Two fundamental, highly debated issues concern: 1) what regulates the star formation efficiency (SFE) in giant molecular clouds (GMCs), and 2) what sets the distribution of stellar masses at birth or « initial mass function » (IMF). The results of submillimeter imaging surveys for Galactic molecular clouds with the Herschel space observatory suggest that it may be possible to understand both the global SFE in galaxies and the IMF by studying the growth of dense structures (bubbles, clouds, filaments, and prestellar cores) in the interstellar medium (ISM) of our own Galaxy. In particular, Herschel observations have emphasized the pivotal role of dense molecular filaments in the star formation process ([1], [3]). In parallel, the dust polarization data obtained with the Planck satellite suggest that the formation and evolution of molecular filaments is largely controlled by the ambient magnetic field ([4, [6], [8]). Overall, the results from the Herschel and Planck space missions support a paradigm in which the growth and fragmentation of dense magnetized filaments represent a fundamental step toward star formation in the cold ISM ([1], [7]).
In this paradigm, dense molecular gas is primarily made up of filaments; the critical mass per unit length ~16 Msun/pc of nearly isothermal gas filaments at ~10 K sets a natural transition between low-density, non-star-forming gas and dense, star-forming gas; most prestellar cores result from the gravitational fragmentation of ~0.1-pc-wide filaments with thermally supercritical (> 16 Msun/pc) line masses, and the core formation efficiency (CFE) and SFE are approximately constant above the critical mass per unit length. The filament paradigm also postulates that the structure, fragmentation, and CFE/SFE properties of nearby, low-mass filaments are representative of more distant, higher-mass star-forming filaments. However, neither the dependence of the SFE with cloud density nor the origin of the high-mass end of the stellar IMF can be constrained by observations of nearby clouds which contain only little dense gas and form mostly low-mass stars.
The proposed thesis project aims a) to assess the importance of the filament paradigm for star formation in more distant, denser and higher-mass GMCs, b) to quantify the role of expanding HI and HII bubbles in filament formation (cf. [5]), and c) to probe the physics of filament fragmentation at the origin of protostellar cores and ultimately individual solar systems, by using:
1) high-resolution observations recently acquired with the MIRI instrument on the JWST space telescope (see [2]), as well as complementary submillimeter observations with the ALMA interferometer and the ArTéMiS camera, developed by CEA/Irfu for the APEX telescope in Chile (large program « CAFFEINE »: https://sites.google.com/view/artemis-apex-caffeine);
2) existing and follow-up molecular line observations of the gas kinematics with IRAM, APEX, ALMA, as well as dust polarization observations of the magnetic field with the new imaging polarimeter NIKA2-Pol on the IRAM 30m telescope (large program « B-FUN », PI: Ph. André) : https://publicwiki.iram.es/Continuum/NIKA2/Main#The_five_Guaranteed_Time_Large_Programs);
3) comparisons with state-of-the-art (non-ideal MHD) numerical simulations in 3D ([5]) of filaments forming at the surface of expanding interstellar HI and HII bubbles, performed by Dr. Daisei Abe, originally from the theory group (T-lab) of Nagoya University (Japan; collaboration with Prof. S. Inutsuka) and presently working as a JSPS postdoc fellow in our group at CEA/AIM Paris-Saclay.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours d'accès aux contrats doctoraux

Université Paris-Saclay GS Physique

127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France

Master 2 d'une école doctorale d'astronomie et/ou d'astrophysique. Solides connaissances sur la physique du milieu interstellaire souhaitées.
Master degree in astronomy and astrophysics. Good knowledge of interstellar medium physics is desired.