Thèse Etude du Rôle du Champ Magnétique dans les Premières Étapes de la Formation Stellaire à Partir d'Observations et de Simulations H/F - 31

Établissement : Université de Toulouse
École doctorale : SDU2E - Sciences de l'Univers, de l'Environnement et de l'Espace
Laboratoire de recherche : IRAP - Institut de Recherche en Astrophysique et Planetologie
Direction de la thèse : Isabelle RISTORCELLI ORCID 0000000214696323
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-01T23:59:59

Les mécanismes régulant les premières étapes de la formation des étoiles restent encore mal compris aujourd'hui. Pour progresser, il est essentiel d'étudier en détail comment les structures denses se forment à différentes échelles spatiales, des complexes moléculaires aux filaments et aux coeurs pré-stellaires, en analysant les rôles respectifs des principales forces en jeu (gravité, turbulence, champ magnétique).
Les observations des satellites Planck et Herschel ont offert une vue sans précédent de la composante froide et dense du milieu interstellaire de notre Galaxie. Herschel a révélé que les filaments sont omniprésents dans les environnements Galactiques et que la plupart des coeurs pré-stellaires se situent au sein des filaments les plus denses, mettant ainsi en lumière un lien étroit entre les filaments et la formation des coeurs denses. Parallèlement, Planck a fourni la première carte du ciel complète de l'émission polarisée des grains de la poussière interstellaire, qui trace l'orientation du champ magnétique. L'analyse des observations Planck a montré une corrélation remarquable : les filaments étroits et diffus tendent à être parallèles aux lignes de champ magnétique, tandis que les filaments larges et denses sont préférentiellement perpendiculaires. Les simulations de magnétohydrodynamique (MHD) reproduisent de manière cohérente les filaments et ont permis de montrer que leur orientation relative avec le champ magnétique est sensible à la magnétisation du milieu. Dans ce contexte, l'étude des orientations relatives entre les filaments et le champs magnétique est devenue une méthode privilégiée pour obtenir de nouvelles informations sur le rôle du champ magnétique dans la formation et l'évolution des filaments.
Nous avons récemment développé une nouvelle méthode pour extraire le réseau de filaments à partir des cartes de densité de colonne déduites d'Herschel (résolution 36''), puis mesurer leur largeur et leur orientation, et comparer cette dernière avec les données du champ magnétique de Planck (résolution 7'). Nous avons appliqué cette méthode à un échantillon de régions de formation d'étoiles issues du projet clé « Galactic Cold Cores » (GCC) Planck-Herschel (PI M.Juvela et I.Ristorcelli). Notre analyse statistique a confirmé les tendances générales concernant l'alignement relatif observées avec Planck, montrant ainsi l'existence d'un couplage entre le champ magnétique à l'échelle des nuages moléculaires et les filaments à plus petite échelle. Parallèlement, les résultats obtenus dans certaines régions ont révélé des comportements inattendus ou plus complexes, soulevant de nouvelles questions sur la physique sous-jacente.

Pour aller plus loin dans cette étude, le travail de thèse proposé comprendra deux parties.
La première partie consistera à compléter l'analyse des orientations relatives à partir d'observations depuis les télescopes sol (NIKA2-Pol, SCUBA-2, ALMA) pour pouvoir sonder les structures denses et le champs magnétique avec une meilleure résolution angulaire. L'ensemble de ces données offrira des résolutions complémentaires (Planck : 7'; NIKA2-Pol, SCUBA-2, ALMA : ~ 2'' à 10'') et permettra ainsi d'analyser les orientations relatives sur une large gamme d'échelles spatiales, i.e. de quelques pc au mpc.
La seconde partie de la thèse portera sur un travail d'interprétation physique à partir de données de simulations. Il s'agira de comparer les résultats observationnels aux simulations en appliquant la même méthodologie d'analyse (extraction des filaments et des orientations relatives). Nous utiliserons pour cela les simulations MHD développées par des membres de la collaboration GCC, prenant en compte les effets de transfert radiatif, le mécanisme d'alignement des grains de poussière et l'évolution des grains dans les milieux denses.

Les premières étapes de la formation stellaire sont encore mal comprises aujourd'hui ; elles nécessitent une étude approfondie des conditions initiales dans les nuages moléculaires et des mécanismes de formation des structures denses. Les observations eectuées avec les satellites Planck et Herschel ont révélé l'omniprésence de filaments dans tous les environnements galactique. De plus, les nombreux coeurs pré-stellaires détectés semblent majoritairement distribués dans les filaments les plus denses. La question de l'origine et de l'évolution des coeurs denses est ainsi fortement connectée à celle des filaments. De plus, des premières analyses ont montré l'existence d'un lien entre les filaments et le champ magnétique. Il s'agit aujourd'hui de mieux caractériser ce lien, et le rôle joué par le champ magnétique tout au long du processus de formation stellaire.

Etudier la morphologie du champ magnétique en relation avec celle des structures denses (filaments et coeurs denses) pour mieux comprendre leur formation et leur évolution vers la formation stellaire. Les études seront menées à la fois à partir d'observations et de simulations MHD. Il s'agira de déterminer les orientations relatives entre filaments et champ magnétique, de manière statistique et également de facon plus détaillée dans des régions de formation stellaire. Les résultats observationnels seront comparés à ceux de prédictions MHD, en appliquant la même méthodologie, et en faisant varier certaines propriétés physiques dans les simulations (intensité du champ magnétique, efficacité d'alignement des grains,...).

A partir d'une combinaison de cartes en intensité polarisée et de densité de colonne de régions de formation stellaire :
- Extraction des filaments et détermination de leurs caractéristiques (largeur, orientation et densité de colonne) avec le code FilDReaMS (Filament Detection and Reconstruction at Multiple Scales') développé dans le groupe ;
- Détermination de l'orientation relative des filaments et coeurs denses par rapport aux lignes du champ magnétique
- Analyse statistique des orientations relatives en relation avec le degré d'évolution des filaments et des coeurs préstellaires associés

A partir de simulations MHD :
- comparaison des résultats observationnels avec les prédictions de simulations MHD sur lesquels la même méthodologie d'analyse sera appliquée (en terme d'extraction de filaments et d'orientations relatives). On explorera l'influence de facteurs clés tels que l'intensité du champ magnétique, l'efficacité d'alignement des grains