Dissipative structures of the diffuse interstellar medium, observations and modeling
Structures dissipatives du milieu interstellaire : observations et modélisations
Résumé
Turbulence and magnetic fields are key elements in the dynamical evolution of the interstellar medium. However, a relatively unexplored area is their role in the thermal and chemical evolution of the diffuse medium, which precedes the formation of dense clouds. Indeed, since heating induced by ultraviolet photons generally dominates over other energy sources (cosmic rays, turbulence, magnetic fields), predominant models of interstellar chemistry focus on matter-radiation interactions. In these PhotoDissociation Region (PDR) models, the gas is treated as a static entity influenced solely by ultraviolet radiation and cosmic rays. This approach successfully explains the general chemical and thermal properties of the diffuse medium and aligns with observations of H2 (from observatories like Copernicus and FUSE) showing that the average temperature of CNM gas is low (~70 K). However, it fails to account for certain observations that raise questions about the structure and properties of the medium.
Observations reveal a gas that, although weakly shielded from destructive ultraviolet radiation, hosts an unexpected richness in chemical composition: the abundances of numerous species (e.g., CH+) and the populations of their excited levels (e.g., H2) are orders of magnitude higher than predicted by PDR models. In the diffuse medium, these molecules are produced through highly endoenergetic reactions with characteristic temperatures (around 1000 K) achievable only when considering non-radiative energy sources such as intermittent dissipation of turbulence coupled with magnetic fields.
To address these observations, it is necessary to develop models where the chemistry is coupled with the dynamics of the gas. This thesis proposes a model that describes the impact of turbulent dissipation on the heating and chemistry of the interstellar medium: the Turbulent Dissipation Region (TDR) model. The concept is to capture the intermittent nature of turbulence, where dissipation occurs at small scales within ephemeral structures that occupy a small fraction of the gas volume. At these scales, the dynamic, thermal, and chemical evolution of matter are tightly coupled, and the medium is neither in chemical nor thermal equilibrium. The novelty of the TDR model lies in partially coupling gas with magnetic fields and in integrating the out-of-equilibrium chemical evolution of the medium with the dynamics of dissipative structures.
La turbulence et le champ magnétique sont deux éléments clef de l'évolution dynamique du milieu interstellaire. Un domaine encore peu exploré toutefois est leur rôle dans l'évolution thermique et chimique du milieu diffus, précurseur des nuages denses. En effet, puisque le chauffage induit par les photons ultraviolets domine en moyenne ceux liés aux autres sources d'énergie (rayons cosmiques, turbulence, champ magnétique), les principaux modèles de chimie interstellaire s'intéressent essentiellement à l'interaction matière-rayonnement. Dans ces modèles de type PDR (PhotoDissociation Regions), le gaz est décrit comme une entité statique soumise uniquement au champ de rayonnement ultraviolet et aux rayons cosmiques. Cette approche permet d'expliquer les propriétés chimiques et thermiques générales du milieu diffus et est notamment en accord avec les observations de H2 (observatoires Copernicus et FUSE) qui montrent que la température moyenne du gaz composant le CNM est faible (~ 70 K). En revanche, elle ne permet pas de rendre compte de certaines observations qui soulèvent des questions concernant la structure et les propriétés du milieu.
Les observations révèlent notamment un gaz qui, bien que faiblement protégé du champ destructeur de radiation ultraviolet, abrite une richesse chimique insoupçonnée : les abondances de nombreuses espèces (e.g. CH+), ainsi que les populations de leurs niveaux excités (e.g. H2), sont des ordres de grandeur supérieures aux prédictions des modèles PDR. Dans le milieu diffus, ces molécules sont produites via des réactions hautement endoénergétiques dont les températures caractéristiques (quelques 1000 K) ne peuvent être atteintes qu’en tenant compte des sources d’énergie non radiative telles que la dissipation intermittente de la turbulence couplée au champ magnétique.
Pour rendre compte de ces observations, il est donc nécessaire de concevoir des modèles dans lesquels la chimie est couplée à la dynamique du milieu et les sources d’énergie mécanique et magnétique sont prises en compte. Cette thèse expose la conception d'un modèle décrivant l’impact de la dissipation turbulente sur le chauffage et la chimie du milieu interstellaire : le modèle TDR (Turbulent Dissipation Region). L'idée est de décrire la nature intermittente de la turbulence, c'est-à-dire le fait que sa dissipation se produit à petites échelles dans des structures éphémères qui n'occupent qu'une petite fraction du volume du gaz. A ces échelles les évolutions dynamique, thermique et chimique de la matière sont fortement couplées les unes aux autres, et le milieu n'est ni à l'équilibre chimique ni à l'équilibre thermique. L'originalité du modèle TDR est de calculer le couplage partiel du gaz avec le champ magnétique, mais aussi de coupler l'évolution chimique hors-équilibre du milieu à la dynamique des structures dissipatives.
Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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