Turbulence and thermal instability in the neutral and atomic interstellar medium : a numerical approach

En Astrophysique, la compréhension du processus de formation d'étoiles reste l'une des principales questions. Elle est directement reliée à l'évolution du gaz interstellaire dans les galaxies, et en particulier aux processus de refroidissement et de condensation pour lesquels la turbulence et l'instabilité thermique jouent un rôle dominant. Ce travail se concentre sur l'évolution du gaz atomique et diffus qui fournit les conditions initiales à la formation des nuages moléculaires et se base sur une comparaison étroite entre observations à 21 cm et simulations numériques hydrodynamiques. Pour comprendre les rôles de l'instabilité thermique et de la turbulence dans la transition du gaz chaud (WNM, T ~ 8000 K, n = 0.5 cm-³) vers le gaz froid (CNM, T ~ 80 K, n = 50 cm-³), j'ai produit 90 simulations à basse résolution qui ont permis d'étudier l'influence de la densité initiale du WNM et de la compressibilité du forçage de la turbulence sur l'efficacité de la production de CNM. Un résultat important permet de conclure que le gaz chaud, dans les conditions de turbulence caractéristiques de ce qui est observé, ne transite pas vers le gaz froid quelque soit l'amplitude de la turbulence. Ces simulations à basse résolution ont aussi permis de déterminer quelles conditions initiales permettent de reproduire les propriétés déduites des observations telles que le nombre de Mach, la quantité de CNM en masse ou la dispersion de vitesse turbulente. Un processus de compression, que l'on peut reproduire soit en augmentant la densité initiale du WNM (n ≥ 1.5 cm-³) soit en appliquant un champ de forçage compressif, est nécessaire. Ces conditions initiales ont ensuite été utilisées pour produire deux simulations à haute résolution (1024³) pour lesquelles j'ai montré que les propriétés de la turbulence et de l'instabilité du milieu atomique neutre sont bien reproduites. Les histogrammes de température portent en effet la trace d'un milieu biphasique et les distributions de pression sont semblables aux observations. D'autre part, les spectres de puissance de la densité sont caractéristiques d'un milieu fortement contrasté alors que ceux de la vitesse restent caractéristiques d'une turbulence subsonique. Finalement, les structures froides de ces deux simulations reproduisent les relations masse-échelle et dispersion de vitesse-échelle observées dans les nuages moléculaires, suggérant que la structure des nuages moléculaires pourrait être héritée de celle des nuages de HI à partir desquels ils se sont formés. Le dernier aspect de mon travail est relié à la difficulté rencontrée lors de l'interprétation des données qui n'est possible qu'à partir de grandeurs projetées en deux dimensions. J'ai donc comparé en détails les deux simulations à haute résolution à des observations de cirrus en créant des observations artificielles à 21 cm. Les spectres d'émission et les cartes de densité de colonne ainsi produits sont semblables aux observations. De plus, les simulations donnant accès à l'information en trois dimensions, j'ai étudié les effets de l'auto-absorption dans la création de cartes de densité de colonne à partir de spectres de température de brillance. J'ai conclu de cette étude que l'auto-absorption ne peut être négligée mais qu'elle ne concerne que les lignes de visée les plus brillantes et les plus denses et que la correction habituellement appliquée sur les observations est efficace. Finalement, j'ai appliqué une méthode de décomposition en gaussiennes sur les spectres synthétiques. Cette méthode a pour objectif d'étudier les propriétés de chacune des deux phases thermiques du HI. Les résultats montrent qu'elle est prometteuse pour l'analyse des données de spectro-imagerie à 21 cm, bien que nécessitant des améliorations. Elle permet en effet de bien séparer les phases chaude et froide du milieu atomique et d'en déduire la distribution massique de chacune d'elles.One of the main current questions in Astrophysics is the understanding of the star formation process, directly related to the processes involved in the cooling and the condensation of the gas yielding to intricate filamentary structures of molecular clouds. Thermal instability and turbulence are playing dominant roles in this complex dynamics. The work presented here is focused on the evolution of the atomic and diffuse interstellar medium that provides the initial conditions to the formation of molecular clouds and is based on the comparison of hydrodynamical numerical simulations and observations. To understand the roles of thermal instability and turbulence in the WNM (warm neutral medium, T ~ 8000 K, n = 0.5 cm-³) to CNM (cold neutral medium, T ~ 80 K, n = 50 cm-³) transition, I produced 90 hydrodynamical numerical simulations of thermally bistable HI and used them to study the impact of the WNM initial density and the compressibility of the turbulent stirring on the efficiency of the CNM production. The main result here is that the warm gas in the observed turbulent conditions do not transit naturally to cold gas whatever the amplitude of turbulent motions. These small resolution simulations also allowed me to determine which initial conditions lead to the reproduction of the observed properties, as the Mach number, the amount of CNM or the amplitude of the turbulent motions. A compression is needed to trigger this transition either by increasing the initial density (n ≥ 1.5 cm-³) or by stirring with a compressive field. These initial conditions have been used to produce two high resolution simulations (1024³). I showed that these two simulations reproduce well the properties of the turbulence and the thermal instability. The temperature histograms present the evidences of a bistable gas and the pressure distributions are in agreement with the observations. On the other hand, the power spectra of the density are characteristic of a high contrasted medium while the power spectra of the velocity remain characteristic of subsonic turbulence. Finally the cold structures of these two simulations reproduce well the mass-size and velocity dispersion-size relations observed in molecular clouds. This suggests that the molecular cloud structure could be inherited from the clouds of atomic gas from which they are born. One of the main limitations in the analysis of observations comes from the fact that it can only be done on integrated quantities in two dimensions. In the last part of my work I compared the two high resolution simulations to observations by creating synthetic 21 cm observations. The emission spectra and column density maps produced in that way are similar to the ones observed. Besides, with the three dimensional informations, I was able to study the effect of the self-absorption in the creation of the column density maps from the brightness temperature spectra. I concluded from this study that the self-absorption cannot be neglected but that it only concerns the brightest and densest lines of sight and that the correction usually applied on observations is efficient. Finally I applied a method of gaussian decomposition on the synthetic spectra. This method has been build to study the properties of each thermal phase in the HI. The results show that it is a highly promising method for the analysis of 21 cm spectro-imaging data even if some improvements are needed. Indeed, it allows a good separation of the cold and warm phases of the atomic medium and a reasonable deduction of the massive distribution of each one