Dissertation: Étude sous-millimétrique de l’interaction entre le magnétisme et la turbulence dans les milieux interstellaires / Submillimetre study of the interaction between magnetism and turbulence in interstellar media

(Cassiopeia – Summer / été 2018)

SimonPic
by / par Simon Coudé
Thesis defended on February 19, 2018
Université de Montréal / University of Montréal
Thesis advisor: Dr. Pierre Bastien

The English version follows

Abstract
L’astronomie sous-millimétrique est une fenêtre unique pour l’étude des propriétés physiques d’une grande variété d’environnements interstellaires, des pouponnières d’étoiles de notre Galaxie aux jets relativistes issus de noyaux galactiques actifs. Grâce en particulier aux observations polarimétriques, il est même possible d’étudier les effets de l’interaction entre le magnétisme et la turbulence sur la dynamique de ces milieux. Cette thèse présente les résultats d’une étude sous-millimétrique dont l’objectif est de caractériser les propriétés physiques et la dynamique d’une sélection de régions de formation d’étoiles et de jets extragalactiques à partir d’observations continues, spectroscopiques et polarimétriques obtenues au télescope James-Clerk-Maxwell (JCMT).

Nous avons d’abord quantifié l’effet de la contamination moléculaire sur les observations du nuage moléculaire géant d’Orion A obtenues à 450 µm et 850 µm avec la caméra SCUBA-2. À l’aide de mesures spectroscopiques effectuées avec le spectromètre HARP de la raie moléculaire 12CO J=3-2, nous avons identifié un échantillon de 33 sources dont le flux à 850 µm est fortement contaminé par des flots moléculaires environnants. Nous avons finalement montré que cette contamination mène à une sous-estimation de l’indice spectral d’émissivité β obtenu à partir du ratio des flux mesurés à 450 µm et 850 µm.

Dans le cadre du programme BISTRO au JCMT, nous avons utilisé le polarimètre POL-2 afin de caractériser le champ magnétique dans la région de formation d’étoiles Barnard 1 du complexe moléculaire de Persée. Nous avons d’abord déterminé l’orientation sur le plan du ciel du champ magnétique à partir de la carte de polarisation linéaire obtenue à 850 µm. Nous avons aussi calculé une valeur de 1.05 ± 0.92 pour le rapport entre les composantes turbulentes et ordonnées de l’énergie magnétique. Grâce aux observations de la raie moléculaire C18O J=1-0 obtenues au FCRAO, nous avons enfin appliqué la technique de Davis-Chandrasekhar-Fermi afin d’évaluer l’amplitude du champ magnétique à ~20 µG.

Avec l’équipe de mise en marche de POL-2, nous avons détecté avec succès la polarisation à 850 µm dans le coeur protostellaire CB 68. Nous avons ainsi déterminé l’orientation dans le plan du ciel du champ magnétique à l’intérieur de cet objet, que nous avons ensuite comparé avec les données SCUPOL dans la littérature. Additionnellement, nous avons mesuré une diminution de la fraction de polarisation en fonction de l’intensité totale, ce qui pourrait être expliqué par des effets de dépolarisation le long de la ligne de visée.

Finalement, nous avons mené la première campagne avec POL-2 afin d’étudier la variabilité temporelle de la polarisation linéaire à 850 µm vers quatre noyaux galactiques actifs: 3C 84, 3C 273, 3C 279 et 3C 454.3. Nous avons mesuré une variation significative de la fraction et de l’angle de polarisation pour 3C 84, 3C 273 et 3C 279 sur une période de 9 mois. Cette variabilité supporte la présence de cellules turbulentes magnétisées à l’intérieur de chocs permanents le long des jets relativistes issus de l’accrétion de matière sur les trous noirs supermassifs au centre de ces galaxies.



Submillimetre astronomy is a unique window for the study of the physical properties of a large variety of interstellar environments, from the stellar nurseries of our Galaxy to the relativistic jets from active galactic nuclei. With polarimetric observations in particular, it is even possible to study the effects of the interaction between magnetism and turbulence on the dynamics of these environments. This thesis presents the results from a submillimetre study which goal was to characterise the physical and dynamical properties of a selection of star-forming regions and extragalactic jets using continuum, spectroscopic and polarimetric observations from the James Clerk Maxwell Telescope (JCMT).

We have first quantified the effect of molecular contamination on SCUBA-2 observations at 450 µm and 850 µm of the Orion A giant molecular cloud. With spectroscopic measurements using the HARP spectrometer of the 12CO J=3-2 molecular line, we have identified a sample of 33 sources for which the 850 µm flux is highly contaminated by nearby molecular outflows. Finally, we have shown that this contamination leads to an underestimation of the emissivity spectral index β derived from the 450 µm to 850 µm flux ratio.

As part of the BISTRO survey at the JCMT, we have used the POL-2 polarimeter in order to characterise the magnetic field in the Barnard 1 star-forming region in the Perseus molecular cloud complex. We have inferred the plane-of-sky orientation of the magnetic field from the linear polarisation map obtained at 850 µm. We have also calculated a value of 1.05 ± 0.92 for the turbulent-to-ordered magnetic energy ratio. With FCRAO observations of the C18O J=1-0 molecular line, we have also applied the Davis-Chandrasekhar-Fermi method in order to evaluate the amplitude of the magnetic field to be ~20 µG.

With the POL-2 commissioning team, we have successfully detected the 850 µm polarisation in the CB 68 protostellar core. We have then inferred the plane-of-sky orientation of the magnetic field within this cloud that we have then compared to previously published SCUPOL observations. Additionally, we have measured a diminution in the fraction of polarisation as a function of total intensity, which could be explained by depolarisation effects along the line-of-sight.

Finally, we have lead the first POL-2 campaign to study the temporal variability of the 850 µm linear polarisation towards four active galactic nuclei: 3C 84, 3C 273, 3C 279 and 3C 454.3. We report significant variability in the fraction and angle of polarisation for 3C 84, 3C 273 and 3C 279 over a period of 9 months. This variability supports the presence of magnetised turbulent cells within standing shocks along the relativistic jets originating from the accretion of matter on the central supermassive black holes of these galaxies.

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