Les premières étapes des proto-étoiles de type solaire: la preuve manquante de grandes chaînes de carbone

Eleonora Bianchi

Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG, 38000 Grenoble, France

La formation d'un système planétaire de type solaire est caractérisée par plusieurs processus physiques qui commencent par l'effondrement d'un noyau préstellaire froid (~ 10 K) et dense (> 10⁵ cm^-3) et la formation d'une proto-étoile, un disque proto-planétaire et, éventuellement, un système planétaire. Ces étapes s'accompagnent également de l'évolution de la composition chimique (par example Caselli & Ceccarelli 2012), qui est un outil de diagnostic puissant pour récupérer les conditions passées et présentes d'une source.

La grande majorité des observations visant à explorer la variété chimique des proto-étoiles de type solaire a été obtenue via des télescopes à longueurs d'onde millimétriques, où plusieurs molécules relativement légères, comme les iCOMs ou les petites chaînes de carbone ont leur pic d'emission. En revanche, les raies de molécules lourdes (par example les chaînes avec plus de sept atomes de carbone) à des longueurs d'onde mm sont sensiblement plus faibles. Leur observation pourrait ajouter une pièce importante au puzzle car ils pourraient avoir un rôle crucial dans l'héritage de la matière organique de la phase pré- et  proto-stellaire aux objets du système solaire, comme les astéroïdes et les comètes (par example Mumma & Charnley 2011, McGuire et al. 2019). 

Je présenterai les résultats obtenus dans une étude pilote en utilisant le télescope GBT pour observer plusieurs chaînes de carbone dans l'intervalle 14,0-15,4 GHz, dans lex deux sources L1544 et IRAS 16293-2422, les deux archétypes du noyau préstellaire et de proto-étoile. Ce travail a également pour objectif d'ouvrir la voie à l'exploration moléculaire à l'aide de SKA.

    Bien que les premiers pulsars aient été trouvés autour de 85 MHz, la majorité des pulsars actuellement connus ont été découverts essentiellement à des fréquences supérieures à 300 MHz. Or depuis une dizaine d’années, grâce à une nouvelle génération de radiotélescopes, il est maintenant possible de détecter un grand nombre de pulsars à des fréquences de plus en plus basses. Cependant, en dessous d’environ 100 MHz, le spectre des pulsars tend souvent à s’inverser, ayant pour conséquence que leur flux devient faible en comparaison de celui du fond galactique. En conséquence, à l’exception des pulsars les plus puissants, la sensibilité des instruments était encore jusqu'à aujourd'hui trop basse pour pouvoir les observer.

    Grâce à une sensibilité fortement accrue par rapport à ses prédécesseurs, NenuFAR permet enfin d’étudier la population des pulsars faibles dans la gamme de fréquences 10 – 85 MHz. Pour cela, depuis près de 2 ans, deux projets d’observation sont menés dans ce but, un relevé pointé : le NenuFAR pulsar census, et un relevé en aveugle : le NenuFAR pulsar blind survey.

    Dans un premier temps, je présenterai les résultats du NenuFAR pulsar census (Bondonneau et al., en préparation), qui consistait à observer 711 pulsars connus ayant un DM < 100 pc.cm^-3 et une déclinaison > -20°. Ce relevé a permis de détecter 184 pulsars, dont environ 100 qui ont été détectés pour la première fois en dessous de 100 MHz. En outre, 7 de ces premières détections sont des pulsars millisecondes (MSP) portant ainsi à 12 le nombre des MSP visibles en dessous de 100 MHz.

    Je présenterai également les caractéristiques et les attentes du NenuFAR pulsar blind survey, qui est en cours depuis août 2020 pour tenter de découvrir des pulsars dans l’intervalle de fréquences 39 – 76 MHz. L’objectif de ce relevé est d'explorer l’intégralité du ciel au-dessus de +39° de déclinaison, en observant un peu plus de 7 000 zones d’environ 2 degrés carrés chacune. A cause des effets de diffusion du rayonnement des pulsars par le milieu interstellaire, les pulsars ciblés par cette recherche seront préférentiellement des pulsars lents ayant des périodes aux minimums supérieures à 80 ms, et des DM relativement bas inférieurs à 100 pc.cm^-3 .

Eruptive activity in the solar corona can often lead to the propagation of shock waves. In the radio domain the primary signature of such shocks are type II radio bursts, observed in dynamic spectra as bands of emission slowly drifting towards lower frequencies over time. These radio bursts can sometimes have inhomogeneous and fragmented fine structure, but the cause of this fine structure is currently unclear. Here we observe a type II radio burst on 2019-March-20th using the New Extension in Nancay Upgrading LOFAR (NenuFAR), a radio interferometer observing between 10-85 MHz. We show that the distribution of size-scales of density perturbations associated with the fine structure of the type II follows a power law with a spectral index of -1.7, which closely matches the value of -5/3 expected of fully developed turbulence.  We determine this turbulence to be upstream of the shock, in background coronal plasma at a heliocentric distance of 2 solar radii. The observed inertial size-scales of the turbulent density inhomogeneities range from 62 Mm to 209 km. This shows that type II fine structure and fragmentation can be due to shock propagation through an inhomogeneous and turbulent coronal plasma, and we discuss the implications of this on electron acceleration in the coronal shock.

Black hole X-ray binaries in outburst are able to launch powerful radio-emitting outflows, either in the form of compact and collimated jets, or in spectacular, often apparently superluminal, plasma bubbles. Radio observations of these systems are fundamental, as they allow us to study the evolution of jets on human timescales, making it possible to unveil the mechanisms that link accretion and ejection in compact objects. We present MeerKAT radio observations of the discovery outburst of MAXI J1348-630, a new black hole X-ray binary first detected in 2019 January. During our campaign, we monitored the rise, quenching and re-activation of compact jets, which allowed us to probe in detail the coupling between inflows and outflows in this new system. Moreover, we resolved two bright discrete ejecta (only the third and fourth time for MeerKAT) that displayed the highest proper motion ever measured for an accreting black hole binary and were detected at large scales due to their later interaction with the ISM. Our observations and the study of the motion of the ejecta led us to conclude that these objects only radiate away a very small fraction of their total energy, that is instead much larger than what was previously assumed for this kind of phenomena.

La construction de la phase I de SKA est lancée, mais les besoins en développement restent importants.
En témoigne le document récent publié par le SKA office définissant un programme de développement ambitieux qui débouchera sur des appels d'offre dès 2022.
 
Ce document insiste notamment sur le besoin de réduction des couts opérationnels et de construction, un objectif semblant raisonnable dans un contexte de crise économique, énergétique et environnementale en cours.                  
La consommation d'énergie devient un paramètre primordial pour établir la faisabilité des instruments, au plan financier comme au plan environnemental, or les fonctionnalités nouvelles offertes par le numérique ont un cout énergétique croissant.
Etant donné l'échelle de taille des instruments contemporains, bien souvent la question n'est donc plus "est ce faisable techniquement ?" mais "peut on se permettre de le faire ?".                                                  
 
Dans ce contexte, une réflexion sur la partie analogique de l'instrument pourrait permettre de le rendre plus autonome, sobre et adaptatif vis à vis des contraintes d'observation.                                                   
Il s'agit de repenser la répartition de la charge entre le numérique et l'analogique, éventuellement de manière dynamique, pour bénéficier des avantages des 2 mondes et optimiser le rapport cout/performances, en particulier du point de vue énergétique.          
 
On reviendra dans cette présentation sur les spécificités de la mesure en radioastronomie du point de vue analogique, et sur les possibilités de développement dans ce domaine.                                                       
Le principe du beamforming analogique, déjà utilisé par des télescopes comme LOFAR HBA ou Nenufar,  peut notamment être étendu et perfectionné grâce à l'intégration de cette fonction dans des puces dédiées. Il permet d'envisager au choix une réduction de couts énergétiques conséquente à performances égales, ou symétriquement une augmentation des performances pour une consommation donnée. On montrera qu'en agissant comme un pré traitement analogique, ce beamforming permet de réduire la charge de calcul et/ou de numérisation tout en préservant le champ de vue accessible.                                                                                            
Il peut également contribuer à atténuer le fond RFI de manière autonome, ce qui reste une des contraintes principales en radioastronomie, sur le plan du rendement scientifique comme sur le plan de la consommation énergétique.     
De manière générale, on peut maintenant envisager de rendre l'instrument adaptatif au plus bas niveau électronique, afin d'optimiser le rendement scientifique au plus près des besoins du point de vue scientifique, financier et énergétique, tout en ouvrant de nouvelles fonctionnalités.
Plusieurs exemples d'études en cours et de prototypes seront présentés pour illustrer le sujet.

Jets and outflows are observed in a diverse range of accreting systems such as young stellar objects, galactic X-ray binaries and active galatic nuclei (AGN). The formation of jets, their propagation and their association with accretion processes are still largely unclear. However, their feedback on their immediate environment is now starting to be quantified, as their interaction with the interstellar medium can be observed using high spatial resolution images of X-ray binaries. Here, we report on extensive observations of the black hole candidate MAXI J1820+070, discovered during its 2018-19 outburst. Radio observations, including MeerKAT, have revealed the formation of relativistic radio jets on both sides of the system (Bright et al. 2020). We also conducted four X-ray observations with the Chandra X-ray Observatory between 2018 November and 2019 May, which revealed the presence of X-ray moving sources associated to the radio counterparts of the jets. The jets are travelling at apparent relativistic velocities, with a possible deceleration at late time, which could be due to shocks with the surrounding environment. MAXI J1820+070 is the third black hole X-ray binary for which relativistic jets are detected from the radio up to the X-rays, with in-situ particles acceleration up to very high energies.

The process of heating and reionization of the Universe at high redshift links small-scale structures/galaxy formation and large-scale inter-galactic medium properties. Even if the first one is difficult to observe, an observation window is opening on the second one, with the promising development of current and future radio telescopes. They will permit to observe the 21cm brightness temperature global signal and fluctuations. The need for large-scale simulations is therefore strong to understand the properties of the IGM that will be observed. But at the same time, the urge to resolve the structures responsible for those processes is important. We introduce a simulation framework of the Cosmic Dawn and Reionization, based on hydrodynamics and radiative transfer code and a simple sub-grid star formation process. Here, this model is calibrated on the state-of-the-art simulation CoDaII. This scheme permits us to follow consistently dark matter, hydrodynamics, and radiative transfer evolution on large scales, while the sub-grid model deals with the galaxy formation scale, in particular, taking into account the different feedback on the star formation. We process the simulation to produce a simulated 21cm signal as close as possible to the observations (SKA, Nenufar and Lofar). 

South Africa’s SKA-MID precursor MeerKAT has begun its science operations. To make full use of the widefield capability of the array, we need accurate primary beam models. Following our previous work carried on the VLA (Iheanetu, Girard et al., 2019), and with the help of full-polarization ‘astro-holographic’ observations, we have studied three antennas in the L-band and a generic electromagnetic simulation based from the antenna design. By performing spatial and spectral decompositions of the beam, we created sparse representations based on principal components, Zernike polynomials and discrete cosine transform (see Asad, Girard et al., 2021). Through a software tool (EIDOS), we provide a way to reconstruct MeerKAT beam shapes (averaged over the three antennas under study) up to 10 deg diameter. Knowing the shape of the primary beam with enough accuracy is critical for direction-dependent calibration and imaging.

Currently in the 'Early Science' phase, the new low-frequency radiotelescope NenuFAR is managed thanks to a dedicated web interface. Observation requests are sent by the scientists involved in the 12 active Key Science Programs. Observing time allocation, which is done manually twice a year, is a difficult problem to solve for. In order to ease the observation planning process, as well as anticipating the opening of the telescope to the whole community, we have developed a tool to automatically schedule the observations. Within a NenuFAR-oriented Python package called nenupy, a genetic algorithm has been implemented, based on a series of constraints defined by the observers. This observation scheduler, will eventually be incorporated in the NenuFAR Virtual Control Room and could possibly benefit other radio astronomy observatories.

The exploration of the Cosmic Dawn, the period of the Universe during which the first stars and galaxies were formed, is one of the last frontiers of modern astronomy and cosmology. The redshifted 21-cm line emission from neutral hydrogen is a unique probe and can open this era for astrophysical and cosmological studies. The tentative detection of the 21-cm global signal by the EDGES team at z~ 17 underlines the need for an interferometric detection of this signal and discriminate between the numerous models trying to explain this unexpected discovery.  The NenuFAR Cosmic-Dawn Key-Science Program aims to perform this detection in the redshift range z ∼ 15 - 31 with a novel SKA precursor, the NenuFAR radio telescope that started operating in 2019 (Nancay, France). Due to its compactness it is particularly sensitive to the large scale of the 21-cm signal. Only 100 hours of observation are needed to reach the level of the most extreme models, while 1000 hours are needed for the more standard models. Observations have already started, accumulating to almost 200 hours on the North Celestial Pole field. I will introduce the project, our first 21-cm signal results and the developments in calibration and foregrounds mitigation specific to this new instrument, and how it relates to future SKA challenges.

The LOFAR Two-metre Sky Survey (LoTSS) is an ongoing sensitive, high-resolution 120-168MHz survey of the entire northern sky. LoTSS has a source density approximately 10 times higher than the most sensitive existing very wide-area radio-continuum surveys and we have already catalogued over 4,000,000 radio sources making it the largest survey to date. In this talk I will describe the current status of the survey and outline what can be expected from LoTSS in the near future.