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. |
The infrared spectra of galaxies and numerous astrophysical objects of the Milky Way are dominated by intense spectral bands, localized at 3.3, 6.2, 7.7, 8.6, 11.2 and 12.7 μm, called “aromatic infrared bands” (AIB). They are attributed to the cooling of a class of molecules called “polycyclic aromatic hydrocarbons” (PAH), excited by the absorption of interstellar UV photons.
PAHs play a key role in the physics of environments dominated by UV radiation, called photodissociation regions (PDR). In particular they are the major contributors to the gas heating through the photoelectric effect (PE effect). Furthermore, PAHs play an important role in the extinction of stellar radiation and in the gas chemistry, being a possible catalyst in the H2 formation, the most abundant molecule of the universe.
However, for now no specific PAH has been identified in the interstellar medium, which can yield in a difficult description of their contribution to the physics and chemistry in models. In particular, the contribution of the PE effect on dust in the gas heating is considered in several codes.
It is nevertheless possible to obtain global information on interstellar PAH families, based on the analysis of AIB spectra and their variations. This can be achieved using learning methods such as blind signal separation (BSS), which allows to extract infrared emission spectra, representative of mean populations of PAHs.
The first part of this thesis consisted in upgrading the methods based on BSS in the context of the arrival of the James Webb Space Telescope (JWST). Indeed, current methods were limited in two aspects: their inability to handle large volumes of data such as those that will be provided by JWST, and the fact that their random initialization implied an instability of the results. In order to fix these issues, I proposed and developed an approach based on a hybrid BSS method. This approach has been tested on an archival data set (spectra from the SWS instrument onboard the ISO satellite) which present similar spectral characteristics as the coming JWST data. These tests allowed to show the robustness and rapidity of this approach and the perspectives for the analysis of the incoming JWST data. Moreover, we obtained new information on the nature of AIB carriers with, in particular a first analysis of the 3 μm domain.
The second part of this work was focused on the influence of the evolution of the PAH charge state on the gas heating by PE effect on PAH. It is in particular this charge effect on the efficiency of the heating process which has been studied, in the case of the North-West PDR in the NGC7023 nebula. By the combination of spatially resolved data of the gas cooling and PAH emissions, I mapped the heating efficiency over a major part of this region. I also developed a model of the gas heating by PAHs, based on their molecular properties characterized from laboratory experiments and quantum chemistry computations. The ionization fraction of PAHs is a parameter computed by the model and can be observationally deduced thanks to the PAHTAT fitting tool. The evolution of the observed and computed values of the heating efficiency are in good agreement. They both show that the ionization fraction of PAHs drive the efficiency of gas heating by PE effect of the PDR. The PAH size has a minor effect on this result, however the model shows that a more profound knowledge of the kinetic energy of photoelectrons is crucial to move forward in this area. |