Les étoiles telles que notre soleil se forment par l'effondrement gravitationnel de fragments de nuages moléculaires. Pendant les premiers instants de sa formation (ce qu'on appelle la Classe 0), l'étoile est profondément enfouie dans une enveloppe de gaz et de poussières et est seulement visible aux longueurs d'onde infrarouge et millimétrique. Au fur et à mesure de son évolution, l'étoile disperse progressivement cette enveloppe. Un disque résiduel reste autour de l'étoile nouvellement née, qui pourra lui-même donner naissance à un système planétaire. Dans cette thèse, j'étudie la structure physico-chimique des proto-étoiles de faible masse. Cette étude est basée sur des observations du satellite ISO des raies de l'eau, ainsi que des observations avec les télescopes JCMT et IRAM du formaldéhyde. Dans un premier temps, j'étudie l'émission des raies de l'eau proto-étoile NGC1333-IRAS4 observés par ISO-LWS. A l'aide d'un modèle détaillé de l'émission de la proto-étoile, je détermine la structure en densité et température de l'enveloppe, ce qui permet de contraindre la masse centrale et le taux d'accrétion. Je détermine également l'abondance de l'eau dans l'enveloppe, et montre que cette abondance est dix fois plus importante dans la partie interne de l'enveloppe que dans la partie externe. Dans cette région, le manteau des grains s'évapore en injectant de grandes quantité d'eau en phase gazeuse. Dans un second temps, je développe un modèle d'émission d'une autre molécule abondante dans le manteau des grains, le formaldéhyde, et je montre que des transitions de cette molécule peuvent également être utilisées pour déterminer les conditions physico-chimiques dans l'enveloppe. Enfin, je présente un relevé de l'émission du formaldéhyde de dix proto-étoiles de classe 0, obtenu avec l'IRAM et le JCMT. En comparant les prédictions de ce modèle et les observations, je montre que dans toutes les proto-étoiles observées, à l'exception d'une seule, le formaldéhyde est également évaporé du manteau des grains, et est entre deux et trois ordres de grandeur plus abondant que dans la partie externe de l'enveloppe. Ceci montre que toutes les proto-étoiles de faible masse observées possèdent un coeur chaud, où la chimie est probablement très influencée, sinon dominée par l'évaporation du manteau des grains.

Les rayons cosmiques (RC) ont un rôle fondamental sur la dynamique et l'évolution chimique des nuages moléculaires interstellaires, qui sont le lieu de formation stellaire et planétaire. Les RC sont probablement accélérés dans les enveloppes en expansion des rémanents de supernova (SNR), ainsi les nuages moléculaires situés à proximité peuvent être soumis à d'intenses flux de RC. Les protons relativistes ont principalement deux effets sur les nuages moléculaires : 1) en rencontrant le milieu dense, les protons de haute énergie (>280 MeV) induisent via la désintégration des pions l'émission de photons gamma. à cause de ce processus, les associations SNR-nuages moléculaires sont des sources intenses d'émission GeV et/ou TeV présentant des spectres similaires à celui des protons incidents. 2) à plus basse énergie, les RC pénètrent le nuage et ionisent le gaz, induisant la formation d'espèces moléculaires caractéristiques appelées traceurs de l'ionisation. L'étude de ces traceurs permet de déduire des informations sur les RC de basse énergie inaccessibles aux autres méthodes d'observation. J'ai étudié l'ionisation des nuages moléculaires par les RC près de trois SNR : W28, W51C et W44. Il existe des preuves observationnelles d'interaction avec le nuage voisin pour chaque SNR (présence de gaz choqué, masers OH, émission gamma). Mon travail repose sur la comparaison d'observations millimétriques des traceurs de l'ionisation à des modèles de chimie appliqués à ces nuages denses. Dans chaque région, nous avons déterminé un taux d'ionisation supérieur à la valeur standard, confortant l'hypothèse d'une origine des RC dans l'enveloppe du SNR voisin. L'existence d'un gradient d'ionisation en s'éloignant de l'onde de choc du SNR apporte des contraintes précieuses sur les propriétés de propagation des RC de basse énergie. La méthode utilisée repose sur l'observation des ions moléculaires HCO+ et DCO+, qui montre des limitations importantes à haute ionisation. C'est pourquoi j'ai également cherché à identifier des traceurs alternatifs de l'ionisation, par un effort croisé de modélisation et d'observation. En particulier, dans la région W44, les observations de N2H+ ont permis de mieux contraindre les conditions physiques, les abondances volatiles dans le nuage et l'état d'ionisation du gaz. Ce projet de recherche a amené une meilleure compréhension de la chimie induite par les RC dans les nuages moléculaires. Il a également ouvert de nouvelles perspectives de recherche interdisciplinaire vers la compréhension des RC, des observations millimétriques aux observations gamma. / Cosmic rays (CR) are of tremendous importance in the dynamical and chemical evolution of interstellar molecular clouds, where stars and planets form. CRs are likely accelerated in the shells of supernova remnants (SNR), thus molecular clouds nearby can be irradiated by intense fluxes of CRs. CR protons have two major effects on dense molecular clouds: 1) when they encounter the dense medium, high-energy protons (>280 MeV) create pions that decay into gamma-rays. This process makes SNR-molecular cloud associations intense GeV and/or TeV sources whose spectra mimic the CR spectrum. 2) at lower energies, CRs penetrate the cloud and ionise the gas, leading to the formation of molecular species characteristic of the presence of CRs, called tracers of the ionisation. Studying these tracers gives information on low-energy CRs that are unaccessible to any other observations. I studied the CR ionisation of molecular clouds next to three SNRs: W28, W51C and W44. These SNRs are known to be interacting with the nearby clouds, from the presence of shocked gas, OH masers and pion-decay induced gamma-ray emission. My work includes millimeter observations and chemical modeling of tracers of the ionisation in these dense molecular clouds. In these three regions, we determined an enhanced CR ionisation rate, supporting the hypothesis of an origin of the CRs in the SNR nearby. The evolution of the CR ionisation rate with the distance to the SNR brings valuable constraints on the propagation properties of low-energy CRs. The method used relies on observations of the molecular ions HCO+ and DCO+, which shows crucial limitations at high ionisation. Therefore, I investigated, both through modeling and observations, the chemical abundances of several other species to try and identity alternative tracers of the ionisation. In particular, in the W44 region, observations of N2H+ bring additional constraints on the physical conditions, volatile abundances in the cloud, and the ionisation state. This research brought valuable insight into the CR induced chemistry in the interstellar medium. It also brought new perspectives of interdisciplinary research towards the understanding of CRs, from millimeter to gamma-ray observations.

Les étoiles se forment par effondrement gravitationnel de condensations pré-stellaires. Le jeune embryon stellaire (phase Classe 0) croît en masse par l'accrétion progressive de l'enveloppe de gaz et de poussières dans lequel il est enfoui. Par conservation du moment cinétique, si le moment du coeur pré-stellaire est totalement transféré à l'embryon pendant la phase d'accrétion, la force gravitationnelle ne peut contrer la force centrifuge et l'embryon se fragmente prématurément. Pour former une étoile comme notre Soleil, l'enveloppe en rotation doit nécessairement réduire son moment cinétique de 5 à 10 ordres de grandeur en l'évacuant ou en le redistribuant. L'un des principaux défis de la formation stellaire est de quantifier l'ampleur de ce "problème du moment cinétique" et d'identifier les mécanismes responsables de la redistribution du moment.L'objectif de cette thèse est d'étudier la cinématique des enveloppes proto-stellaires de Classe 0 afin d'établir leurs distributions de moment cinétique. Pour cela, j'ai utilisé des observations de raies moléculaires à haute résolution angulaire de l'Interféromètre du Plateau de Bure et du télescope de 30m de l'IRAM issues du large programme CALYPSO (Continuum and Lines in Young Protostellar Objects, PI : Ph. André) pour un échantillon de 12 proto-étoiles de Classe 0 à une distance d<400 pc. Cette analyse a permis de mesurer des mouvements de rotation différentielle et d'établir, pour la première fois, des distributions radiales du moment cinétique spécifique sur une grande gamme d'échelles (~50-10000 au) dans 11 des 12 enveloppes proto-stellaires de l'échantillon. Deux régimes distincts ont ainsi été mis en exergue: un profil constant à petites échelles (<1600 au) et une augmentation du moment avec le rayon aux grandes échelles (1600-10000 au).Le profil constant montre que la matière participant directement à la formation de l'étoile possède un moment cinétique spécifique (~5 10^-4 km/s pc, <1600 au) similaire à celui observé dans les petits disques entourant les étoiles T-Tauri.Les gradients de vitesse observés aux grandes échelles (>3000 au), historiquement utilisés pour mesurer la rotation des coeurs et quantifier le problème du moment cinétique, ne sont pas dus à la pure rotation des enveloppe proto-stellaires, mais sont dominés par d'autres mécanismes. Plusieurs scénarios sont donc discutés pour interpréter le changement de régime dans les profils de moment cinétique aux échelles >1600 au: une empreinte des conditions initiales de la phase pré-stellaire, un changement de mécanismes dominants (contre-rotation, transition effondrement-rotation) ou l'influence de la dynamique des filaments interstellaires (turbulence, effondrement, chocs) dans lesquels les proto-étoiles sont enfouies. / Stars form via the gravitational collapse of a pre-stellar condensation. The young stellar embryo (Class 0 phase) mass increases via the progressive accretion of the gaseous and dusty envelope within which it is buried. As a direct consequence of the angular momentum conservation, if the angular momentum of the pre-stellar core is totally transferred to the central embryo during the accretion phase, the gravitational force can not counteract the centrifugal force and the embryo fragments prematurely before reaching the main sequence. To form a star such as our Sun, the rotating envelope needs to reduce its angular momentum by 5 to 10 orders of magnitude by ejecting or redistributing it. One of the main challenges of stellar formation is to quantify the amplitude of this "angular momentum problem" and identify the mechanisms responsible for the angular momentum redistribution.The goal of this PhD thesis is to study the kinematics of Class 0 protostellar envelopes in order to probe the distribution of their angular momentum. To do this, I used high-resolution observations of molecular lines with the Plateau de Bure Interferometer and the 30m telescope at IRAM taken as part of the large programme CALYPSO (Continuum and Lines in Young Protostellar Objects, PI : Ph. André). The sample gathers 12 Class 0 protostars with distances d<400 pc. This analysis allows to measure differential rotation motions and provides, for the first time in a large sample, robust constraints on the radial distributions of specific angular momentum in a large range of scales (~50-10000 au) for 11 of the 12 protostellar envelopes targeted in the sample. Two distinct regimes are revealed: a constant profile at small scales (<1600 au) and an increasing of the angular momentum at larger radii (1600-10000 au).The constant profile shows that the specific angular momentum (~5 10-4 km/s pc, <1600 au) of the material directly involved in the star formation is similar to the value observed in the small disks surrounding the T-Tauri stars.Velocity gradients observed on large scales (>3000 au) - that are historically used to measure the rotation of the core and quantify the angular momentum problem - are not due to pure envelope rotation but can be dominated by other mechanisms. I discuss several scenarios in order to interpret this change of regime in the angular momentum profiles at scales >1600 au: the imprints of the initial conditions of the pre-stellar phase, a change of dominant mechanisms (counter-rotation, transition between infall and rotation) or the influence of the interstellar filament dynamics (turbulence, collapse, shocks) within which protostars are buried.

Les étoiles se forment par effondrement gravitationnel de condensations préstellaires au sein de nuages moléculaires. L'objectif principal de cette thèse est de tester, à partir d'observations de transitions moléculaires millimétriques, différents modèles d'effondrement. L'enjeu est de comprendre comment la masse d'une étoile est fixée et dans quelle mesure l'environnement et les conditions initiales influencent l'évolution dynamique d'une condensation. Pour cela, nous avons étudié la structure en vitesse de condensations à partir de signatures spectroscopiques de rotation et de contraction. Nous montrons que l'enveloppe de la proto-étoile de classe 0 IRAM 04191 située dans le nuage du Taureau est animée de mouvements de contraction subsoniques dans sa majeure partie et qu'elle est en rotation différentielle. Nous proposons que la partie interne de l'enveloppe correspond à un coeur supercritique se découplant de la partie externe toujours soutenue par le champ magnétique. Nous suggérons que les propriétés cinématiques d'IRAM 04191 sont représentatives des conditions physiques caractérisant les proto-étoiles isolées juste après la formation de l'embryon stellaire central. D'autre part, l'étude des condensations préstellaires du proto-amas de Rho Ophiuchi montre que les taux d'accrétion associés sont un ordre de grandeur plus forts que pour IRAM 04191, ce qui suggère un effondrement induit par une perturbation extérieure. Nous montrons aussi que les condensations n'auront pas le temps d'orbiter significativement à travers le proto-amas avant de donner naissance à des étoiles de pré-séquence principale. Cela ne favorise pas les scénarii de formation stellaire qui font appel à des interactions dynamiques pour expliquer la fonction de masse initiale des étoiles. En conclusion, nous suggérons que l'effondrement est spontané dans les régions de formation d'étoile isolée comme le nuage du Taureau alors qu'il est probablement induit dans les proto-amas.

Cette thèse est vouée principalement à l'étude des enveloppes circumstellaires des étoiles de la fin de la branche asymptotique des géantes rouges (AGB), ou dans la courte phase de transition des nébuleuses planétaires. L'attention a été portée sur les sources ayant une photosphère riche en carbone qui étaient jusqu'à présent moins étudiées que celles riches en oxygène. La thèse comporte trois aspects, des observations millimétriques des transitions rotationelles de CO et HCN, des modélisations de l'émission infrarouge des poussières, et des études systématiques des données du satellite IRAS. Le dernier point est le support observationel fondamental de ce mémoire sans lequel ce travail ne pourrait exister. Il est omni-présent dans la plupart des chapitres . La première partie de la thèse regroupe les observations millimétriques. Alors que la plupart des étoiles AGB riches en carbone sont facilement identifiables grâce à l'émission de SiC, celles qui sont proches de la fin de l'AGB, ou qui sont des PPN, n'ont souvent plus cette caractéristique. Le chapitre 1 présente une analyse d'un échantillon de ~ 230 de telles sources, propose des critères permettant de déterminer la richesse en carbone basés à la fois sur les données IRAS et des observations de CO et HCN, et déduit les proportions d'étoiles oxygénées et d'étoiles carbonées. Le chapitre 2 est une recherche de l'émission de CO dans des sources de l'hémisphère sud pouvant être des PPN; neuf d'entre elles ont pu être détectées, dont l'une présente des propriétés tout à fait remarquables et inhabituelles. Le chapitre 3 ne présente pas nos observations en particulier, mais est une compilation de toutes les enveloppes circumstellaires ayant une (ou plusieurs) détections de CO ou/et HCN publiées dans la littérature depuis 1985. Ceci constitue le premier catalogue des observations millimétriques des étoiles AGB, PPN, et PN ; il recense ~ 400 sources et ~ 1200 observations venant de plus de soixante dix références. Le chapitre 4 présente des cartographies soignées de l'émission de CO dans les transitions rotation elles (1- 0) et (2-1) de cinq sources pouvant être considérées comme des prototypes, et pour lesquelles nous sommes en mesure de donner une estimation de l'étendue de CO dans l'enveloppe. La deuxième partie de la thèse est consacrée à la modélisation de l'émission infrarouge des poussières. Nous y décrivons d'abord la mise au point d'un programme numérique de transfert radiatif dans le chapitre 5. Le chapitre 6 est une étude particulièrement détaillée de l'une des sources riches en carbone les plus optiquement épaisses connues, proche de la fin de l'AGB, RAFGL 3068. Les observations infrarouges disponibles, ainsi que les cartographies du chapitre 4, nous ont permis de contraindre la valeur de l'exposant de la loi d'émissivité des grains dans l'infrarouge. Le chapitre 7 est voué à l'étude des objets riches en carbone en transition entre la fin de l'AGB et le stade de nébuleuse planétaire. En reprenant l'échantillon de sources du chapitre 1, que nous avons élargi jusqu'à ~ 1000 sources, nous avons pu reconstituer l'évolution spectrale de ces PPN. Cette évolution est bien reproduite par les modélisations qui s'appuient sur le travail du chapitre précédent. L'un des problèmes les plus intéressant de l'évolution des étoiles AGB à l'heure actuelle est la transition entre les étoiles riches en oxygène et celles riches en carbone. Le chapitre 8 est un travail préparatoire à l'analyse d'observations de CN et HCN dans plusieurs objets différents, réalisées dans le but de tenter d'éclaircir un peu ce problème. Nous y analysons les propriétés IRAS (PSC) d'un échantillon de sources restreint, mais ayant des densités de flux IRAS fi ables, et en déduisons, pour cet échantillon, le pourcentage d'étoiles riches en carbone ayant une enveloppe fossile . Nous terminerons par la présentation des conclusions les plus importantes de la thèse.