Luận án Vật lí: ALMA quan sát hình thành hành tinh, khí bụi đĩa tiền hành tinh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Thị Phương SỰ HÌNH THÀNH HÀNH TINH QUAN SÁT BỞI ALMA: TÍNH CHẤT KHÍ VÀ BỤI TRÊN ĐĨA TIỀN HÀNH TINH QUAY QUANH CÁC NGÔI SAO CÓ KHỐI LƯỢNG THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Thị Phương SỰ HÌNH THÀNH HÀNH TINH QUAN SÁT BỞI ALMA: TÍNH CHẤT KHÍ VÀ BỤI TRÊN ĐĨA TIỀN HÀNH TINH QUAY QUANH CÁC NGÔI SAO CÓ KHỐI LƯỢNG THẤP Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử và hạt nhân Mã sỗ: 9 44 01 06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Phạm Ngọc Điệp 2. Anne Dutrey Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Thị Phương PLANETARY FORMATION SEEN WITH ALMA: GAS AND DUST PROPERTIES IN PROTOPLANETARY DISKS AROUND YOUNG LOW-MASS STARS LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Nguyễn Thị Phương PLANETARY FORMATION SEEN WITH ALMA: GAS AND DUST PROPERTIES IN PROTOPLANETARY DISKS AROUND YOUNG LOW-MASS STARS Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử và hạt nhân Mã sỗ: 9 44 01 06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Phạm Ngọc Điệp 2.

Anne Dutrey Hà Nội - 2020 i Declaration of Authorship I, NGUYEN Thi Phuong, declare that this thesis titled, “Planetary formation seen with ALMA: gas and dust properties in protoplanetary disks around young low- mass stars” and the work presented in it is my own. I confirm that the results pre- sented in the thesis (Chapter 3, Chapter 4, Chapter 5 and Chapter 6) are my research work, which have been obtained during my training with my supervisors and col- leagues at the Laboratory of Astrophysics (LAB/CNRS) and the Department of As- trophysics (DAP/VNSC). These results are published in refereed journals (Astron- omy & Astrophysics, Research in Astronomy and Astrophysics). Signed: Date: iii Acknowledgements This thesis has been done under a joint supervision agreement between Graduate University of Science and Technology, at Department of Astrophysics of Vietnam National Space Center (DAP/VNSC) and University of Bordeaux at Laboratory of Astrophysics of Bordeaux in the team, Astrochemistry of Molecules et ORigins of planetary systems (AMOR/LAB).

I spent four months of three successive years in Bordeaux working with Dr. Anne Dutrey and the rest of the year in Hanoi working with Dr. Pham Ngoc Diep. I would like to thank all people and organizations in Vietnam and in France who helped me with my thesis work.

I would like to express my deepest gratitude to my supervisors, Dr. Anne Dutrey and Dr. Pham Ngoc Diep who have introduced me to the field of radio astronomy and in particular, the star and planet formation topic, encouraged, supported and closely followed my work. They are the most important people helping me to com- plete this thesis, without them this thesis is impossible.

On this occasion, I would like to express my heartfelt gratitude to them for all the things they have been doing to help me in my PhD training period and for my future career. I sincerely thank Prof. Pierre Darriulat from the DAP team, who introduced me to the field of astrophysics and encouraged me to start my PhD in such a great col- laboration for his guidance and great support. I would like to express my thank to other members of the AMOR team, in partic- ular Drs.

Stephane Guilloteau and Edwige Chapillon, who have contributed to my training by teaching me about data reduction and further processing of interferom- etry data. I thank them for their guidance and support. A part of the data which I used in my thesis has been reduced in IRAM by Dr. Edwige Chapillon and Dr.

Vincent Pietu, I thank them for the help. I thank also Dr. Liton Majumdar from Jet Propulsion Laboratory for running a chemical model of GG Tau A which I used in the thesis. I thank all of them for reading my paper manuscripts and giving me their helpful comments.

I thank my colleagues at DAP team, Drs. Pham Tuyet Nhung, Pham Tuan Anh, Do Thi Hoai and Bsc Tran Thi Thai for their help in the work as well as the sympathy which we share in life. I also thank Drs. Emmanuel Di Folco, Valentine Wakelam, Jean-Marc Hure and Franck Hersant from LAB, Dr.

Tracy Beck from STSI, and Dr. Jeff Bary from Colgate University for reading my paper manuscripts and for their helpful comments to improve the quality of the papers. I take this occasion to thank my parents and younger sister, who are always be- side me, take good care of me and support my decisions. Last but not least, I thank all my friends both in Vietnam, in France and in other countries, who share their lifetime with me.

The financial support from French Embassy Excellence Scholarship Programme (for foreign students), Laboratoire d’Astrophysique de Bordeaux (under research iv funding of Dr. Anne Dutrey), Vietnam National Foundation for Science and Technol- ogy Development (grant no.325), Vietnam National Space Center, the World Laboratory and the Odon Vallet scholarship is acknowl- edged. Hanoi & Bordeaux, 2019 Nguyen Thi Phuong v Abstract This thesis presents the analysis of the gas and dust properties of the protoplan- etary disk surrounding the young low-mass (∼ 1.2 M ) triple star GG Tau A. Study- ing such young multiple stars is mandatory to understand how planets can form and survive in such systems shaped by gravitational disturbances.

Gravitational in- teractions linked to the stellar multiplicity create a large cavity around the stars, the matter (gas and dust) being either orbiting around the stars (inner disks) or beyond the cavity (outer disk). In between, the matter is streaming ("streamers") from the outer disk onto the inner disks to feed up the central stars (and possible planets). This work makes use of millimeter/sub-millimeter observations of rotational lines of CO (12 CO, 13 CO and C18 O) together with dust continuum maps. While the 12 CO emission gives information on the molecular layer close to the disk atmo- sphere, its less abundant isotopologues (13 CO and C18 O) bring information much deeper in the molecular layer.

The dust mm emission samples the dust disk near the mid-plane. After introducing the subject, I present the analysis of the morphology of the dust and gas disk. The disk kinematics is derived from the CO analysis. I also present a radiative transfer model of the ring in CO isotopologues.

The subtraction of this model from the original data reveals the weak emission of the molecular gas ly- ing inside the cavity. Thus, I am able to evaluate the properties of the gas inside the cavity, such as the gas dynamics and excitation conditions and the amount of mass in the cavity. The outer disk is in Keplerian rotation down to the inner edge of the dense ring at ∼ 160 au. The disk is relatively cold with a CO gas tempera- ture of 25 K and a dust temperature of ∼14 K at 200 au from the central stars.

Both CO gas and dust temperatures drop very fast (∝ r −1 ). The gas dynamics inside the cavity is dominated by Keplerian rotation, with a contribution of infall evalu- ated as ∼ 10 − 15% of the Keplerian velocity. The gas temperature inside the cav- ity is of the order of 40 − 80 K. The CO column density and H2 density along the “streamers”, which are close to the binary components (around 0.500 ) are of the order of a few 1017 cm−2 and 107 cm−3 , respectively.

The total mass of gas in- side the cavity is ∼ 1.6 × 10−4 M and the accretion rate is estimated at the level of 6. These new results provide the first quantitative global picture of the physical properties of a protoplanetary disk orbiting around a young low-mass multiple star able to create planets. I also discuss some chemical properties of the GG Tau A disk. I report the first detection of H2 S in a protoplanetary disk, and the detections of DCO+ , HCO+ and H13 CO+ in the disk of GG Tau A.

Our analysis of the observations and its chemical modelling suggest that our understanding of the S chemistry is still incomplete. In GG Tau A, the detection of H2 S has been probably possible because the disk is more massive (a factor ∼ 3 − 5) than other disks where H2 S was searched. Such a large disk mass makes the system suitable to detect rare molecules and to study cold- chemistry in protoplanetary disks. vi Tóm tắt Chủ đề nghiên cứu của luận án là về tính chất của khí và bụi trên đĩa tiền hành tinh quanh một hệ đa sao có khối lượng ∼ 1.

Nghiên cứu các hệ đa sao trẻ là cần thiết để hiểu về sự hình thành và tồn tại của hệ hành tinh trong môi trường nhiễu loạn hấp dẫn. Tương tác hấp dẫn của hệ đa sao tạo nên một khoang rỗng lớn xung quanh các sao thành phần, vật chất (khí và bụi) của hệ có thể quay quanh từng sao đơn ("đĩa trong") và bên ngoài khoang rỗng, xung quanh cả hệ sao ("đĩa ngoài"). Ở giữa hai phần này của hệ, vật chất được truyền từ đĩa ngoài vào đĩa trong để nuôi dưỡng các sao ở trung tâm (hoặc có thể cả hành tinh). Nghiên cứu của luận án sử dụng các quan sát thiên văn vô tuyến ở bước sóng millimet/dưới-millimet phát ra bởi các phân tử CO (12 CO, 13 CO và C18 O) và bụi.

Phát xạ từ 12 CO cung cấp thông tin về lớp phân tử gần với khí quyển của đĩa, các đồng phân kém phổ biến hơn (13 CO và C18 O) cung cấp thông tin nằm sâu hơn trong lớp phân tử của đĩa. Phát xạ mm của bụi giúp nghiên cứu các tính chất trên mặt phẳng giữa của đĩa. Sau khi giới thiệu về chủ đề và đối tượng nghiên cứu, tôi trình bày về hình thái và động học của đĩa khí và bụi của hệ sao. Tôi cũng trình bày mô hình truyền bức xạ của đĩa ngoài sử dụng các đồng phân của CO.

Đĩa ngoài của hệ tuân theo chuyển động Kepler cho đến gần khoang rỗng, ∼160 au từ tâm sao, và tương đối lạnh. Nhiệt độ khí CO và bụi lần lượt là 25 K và 14 K tại khoảng cách 200 au, và giảm nhanh khi khoảng cách tới tâm tăng, T ∝ r −1. Việc trừ mô hình đĩa ngoài từ số liệu ban đầu biểu lộ rõ ràng hơn phát xạ yếu của các phân tử khí trong khoang rỗng. Do đó, động học và điều kiện phát xạ của khí trong khoang rỗng có thể được đánh giá.

Các phân tử khí bên trong khoang rỗng bị chi phối bởi chuyển động quay, với sự đóng góp nhỏ của chuyển động rơi được đánh giá vào cỡ 10–15% chuyển động Kepler. Nhiệt độ khí bên trong khoang rỗng trong khoảng 40–80 K, mật độ dài của khí CO và mật độ khối của H2 lần lượt là 1017 cm−2 và 107 cm−3. Tổng khối lượng khí trong khoang rỗng là ∼ 1.