Soutenance de thèse de SUIN Paolo
Titre de thèse
Impact de la rétroaction des étoiles massives sur les propriétés de formation des étoiles
High-mass stars' feedback impact on star formation properties
Résumé de la thèse
Comprendre comment la rétroaction stellaire régule la formation stellaire (FS) au sein des nuages moléculaires demeure l'un des défis les plus insaisissables de l'astrophysique moderne. Depuis quelques décennies, l'intérêt pour la rétroaction pré-supernova s'est accru : elle commence à remodeler l'environnement natal dès la naissance de l'étoile, plutôt qu'à la fin de son existence (quelques Myr plus tard). À l'échelle des nuages moléculaires (dizaines de pc), le rayonnement ionisant des étoiles massives joue un rôle central, bien que ses modalités d'action restent mal comprises. Les régions HII peuvent étouffer la FS locale, en réchauffant et dispersant le gaz, ou au contraire l'amplifier, en favorisant la création de nouveaux sites de FS.
Ce mécanisme à double facette est confirmé par les observations, mais son interprétation reste difficile, en raison des effets de projection, des incertitudes sur les grandeurs locales, ou des échelles de temps de l'ordre du Myr. Les simulations numériques, en offrant un environnement contrôlé, permettent d'isoler l'impact de la rétroaction et de tester les prédictions théoriques face aux signatures observationnelles.
Dans la présente thèse, j'ai réalisé des simulations haute résolution d'un nuage massif en formation d'étoiles (10^4 MSun) afin d'étudier les effets du rayonnement ionisant sur une hiérarchie d'échelles spatiales (de quelques dizaines à un dixième de parsec). À l'échelle du nuage (Chapitre 3), j'ai quantifié comment la rétroaction radiative modifie la loi et l'efficacité de FS. Bien qu'elle réduise globalement la FS, les régions HII en accroissent l'efficacité dans les zones les plus denses. En comparant les nuages simulés aux données observationnelles, j'ai aussi montré comment les limitations instrumentales (sensibilité et résolution) peuvent entraîner des sous-estimations systématiques de ces grandeurs. L'analyse révèle également que les jets protostellaires des étoiles de faible masse sont indispensables pour reproduire le taux de FS observé.
À plus petite échelle (Chapitre 4), j'ai étudié la manière dont les bulles ionisées en expansion interagissent avec les sous-structures filamenteuses. Le champ magnétique initial façonne la morphologie et la dynamique du nuage. Toutefois, après l'apparition des régions HII, les bulles dominent l'évolution ultérieure : elles restructurent complètement le nuage, indépendamment de la géométrie locale ou du champ magnétique
Dans l'étude finale (Chapitre 5), j'ai mené une vaste série de simulations en faisant varier la position de la source ionisante, l'intensité du champ de rayonnement et la magnétisation initiale, afin de déterminer dans quelles conditions la rétroaction stimule ou étouffe la FS.
Les résultats de cette thèse montrent que la rétroaction radiative peut profondément transformer l'évolution des nuages moléculaires et leur capacité à former des étoiles. Une attention particulière a été portée aux diagnostics directement comparables aux observations, ouvrant la voie à de futures études sur les signatures de FS déclenchée et la régulation par rétroaction.
Thesis resume
Understanding how stellar feedback regulates star formation (SF) within molecular clouds remains one of the most elusive challenges in modern astrophysics. Over the past few decades, interest in pre-supernova feedback mechanisms has grown significantly, as these begin to reshape the natal environment from the onset of stellar birth, rather than at the end of its life (a few million years after). At the scales of star-forming clouds (tens of pc), ionising radiation from high-mass stars is recognised to play a central role, but the specifics on which it acts are still unclear. Indeed, HII regions can both quench the local SF, heating and dispersing the gas, or enhance it, stimulating the formation of new SF sites.
This double-faced mechanism has been thoroughly studied and recognised in observations. However, the interpretation is complicated by inherent limitations, including projection effects, the challenge of recovering local quantities, and the Myr timescales involved. Consequently, contrasting or contradicting results are not uncommon in the literature. Tracking the evolution of physical processes in a controlled environment, numerical simulations provide a powerful tool for isolating the impact of feedback and testing theoretical predictions against observational signatures.
In the present Thesis, I performed high-resolution simulations of a massive star-forming cloud (10^4 MSun) to study the effects of ionising radiation across a hierarchy of spatial scales (from tens to a tenth of parsec). At the cloud scales (Chapter 3), I quantified how radiative feedback modifies the SF law and SF efficiency. Although quenching the SF overall, HII regions increased the efficiency in the densest regions of the cloud. Thoroughly comparing the simulated clouds with observational data, I also demonstrated how observational limitations (sensitivity and resolution) can lead to systematic underestimations of these quantities. Moreover, the analysis showed that protostellar jets from low-mass stars are fundamental in order to recover agreement with the observed SF rate.
On smaller scales (Chapter 4), I investigated how expanding ionised bubbles interact with filamentary substructures. I found that the initial magnetic field shapes the cloud morphology and dynamics. However, after the onset of HII regions, the expanding ionised bubbles dominate the subsequent evolution. These completely restructured the cloud, independently of the local geometry and magnetic field strength.
In the final study (Chapter 5), I performed a dense suite of simulations, varying the key parameters that govern the interaction between radiative feedback and the surroundings. Changing the position of the ionising source relative to the cloud, the intensity of the emitted radiation field and the initial magnetisation, I was able to assess the conditions under which feedback is more effective in stimulating SF, and those under which it quenches it.
The findings presented in this Thesis demonstrate that radiative feedback is capable of significantly altering the evolution of molecular clouds and their star-forming behaviour. Throughout the Thesis, particular focus was devoted to interpretations and insights that could directly be compared with observations, opening the path for future studies aimed at identifying signatures of triggered SF and feedback regulation in star-forming regions.