L’étude du fractionnement peut rassembler de manière unique des scientifiques de plusieurs domaines afin de répondre à de grandes questions. Comme nous le verrons, le domaine astrochimique du fractionnement peut être utilisé pour détecter les empreintes révélatrices de processus chimiques spécifiques qui se produisent tout au long du processus de formation des étoiles, depuis le nuage moléculaire froid jusquàu système solaire actuel. En reliant ces étapes entre elles, le fractionnement est essentiel pour d´evoiler les origines de la vie en découvrant l’histoire chimique d’importantes molécules vitales et de leurs précurseurs. Dans cette thèse, je présenterai les résultats de deux études axées sur la mesure des rapports de fractionnement de deux des éléments les plus abondants et les plus importants dans le processus de formation des étoiles : l’hydrogène (deutération) et l’azote. La recherche présentée ici d´etaille également mes contributions à deux collaborations du Grand Projet en utilisant les données interférométriques d’ALMA et de NOEMA. À cette fin, j’ai analysé les observations NOEMA de OMC-2 FIR4, censé représenter l’un des environnements de formation d’étoiles les plus proches de celui de notre jeune proto-Soleil. En utilisant des techniques de transfert radiatif, j’ai mesuré le fractionnement de l’azote de plusieurs espèces contenant de l’azote à une petite échelle sans précédent vers cette source, permettant la première comparaison entre des espèces qui sont censées présenter un comportement de fractionnement différent et, parallèlement, la recherche de preuves de mécanismes de fractionnement se produisant dans cette source. Les résultats ont montré que, comme on pourrait s’y attendre dans une telle source encastrée, le fractionnement ne se produit pas aux échelles sondées, malgré l’existence d’un gradient précédemment détecté dans le taux d’ionisation des rayons cosmiques, ce qui pourrait d´eclencher un fractionnement dû à une photodissociation sélective dans un cas moins encastré. Cette étude renforce donc l’image actuelle du fractionnement de l’azote et donne une idée de la chimie qui a pu se produire dans un jeune environnement proto-solaire (Evans et al. 2022). Pour l’étude ALMA, j’ai dirigé l’analyse des observations de H2CO vers le protobinaire [BHB2007] 11, obtenant la toute première mesure du rapport de deutération dans cette source. Mes résultats suggèrent que la nature dynamique de cette source affecte le mécanisme de deutération en jeu pour les molécules organiques représentant les précurseurs d’espèces complexes vitales pour la vie. En effet, les résultats obtenus renforcent les suggestions selon lesquelles l’effet de chauffage local résultant des interactions entre le matériau des courants entrants et le gaz local quiescent contribue à la sublimation des grains de poussière des composés organiques et de leurs isotopologues deutérés. |
The study of fractionation is one that can bring together scientists from multiple fields
in a unique way in order to answer big questions. As we shall see, the astrochemical field
of fractionation can be used to detect telltale fingerprints of specific chemical processes
occurring throughout star formation, from the cold molecular cloud all the way to the
current Solar System. By linking together these stages, fractionation is key to unveiling
the origins of life by uncovering the chemical history of important vital molecules and
their precursors.
In this thesis, I will present the results of two studies focusing on measuring the fractionation
ratios of two of the most abundant and important elements in the star formation
process: hydrogen (deuteration) and nitrogen. The research presented here also
details my contributions towards two Large Project collaborations using interferometric
data from ALMA and NOEMA. To this end, I analysed NOEMA observations of OMC-2
FIR4, believed to represent one of the closest star forming environments to that of our
young proto-Sun. Using radiative transfer techniques, I measured the nitrogen fractionation
of multiple N-bearing species at an unprecendented small scale towards this source,
enabling the first comparison between species that are believed to exhibit differing fractionation
behaviour and, along with this, search for evidence of fractionation mechanisms
occurring in this source. The results showed that, as would be expected in such an embedded
source, fractionation is not occurring at the scales probed, despite the existence
of a previously detected gradient in cosmic-ray ionisation rate, something that may trigger
fractionation due to selective photodissociation in a less embedded case. This study
therefore reinforces the current picture of nitrogen fractionation and gives an idea of the
chemistry that may have occurred in a young proto-Solar environment (Evans et al. 2022).
For the ALMA study, I led analysis of H2CO observations towards the protobinary
[BHB2007] 11, obtaining the first ever measurement of the deuteration ratio in this source.
My results suggest that the dynamic nature of this source is affecting the deuteration
mechanism at play for organic molecules representing the precursors to complex species
vital for life. Indeed, the results obtained reinforce suggestions that the local heating
effect resulting from interactions between inflowing streamer material and the quiescent
local gas is contributing to dust grain sublimation of organics along with their deuterated
isotopologues. |