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 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.

L'eau (H2O) est une des molécules les plus abondantes du milieu interstellaire. En plus d'être un ingrédient nécessaire à l'apparition de la Vie, elle joue également un rôle important dans le processus de formation stellaire à travers le refroidissement du gaz chaud et contrôle aussi la chimie de nombreuses autres espèces, que ce soit en phase gazeuse ou à la surface des grains. Étudier sa forme deutérée HDO constitue un moyen unique, à travers l'estimation du rapport HDO/H2O, de contraindre les mécanismes de formation de l'eau ainsi que de mieux comprendre l'origine de l'eau des océans terrestres. Les résultats récents obtenus avec le satellite Herschel montrent en effet que le rapport HDO/H2O observé dans les comètes est similaire à celui mesuré dans les océans (~ 1.5 10-4), suggérant que l'eau pourrait avoir été apportée sur Terre par les comètes lors de grands bombardements (Hartogh et al. 2011). Dans cette thèse, je me suis intéressée à l'étude de l'eau deutérée durant les premières étapes de la formation stellaire, la phase de Classe 0, qui précèdent la formation du disque proto-planétaire menant à la naissance des planètes et des comètes. En modélisant avec un code 1D de transfert radiatif hors-Equilibre Thermodynamique Local les profils des nombreuses raies de HDO et H218O observées avec l'instrument HIFI (Heterodyne Instrument for Far-Infrared) de l'Observatoire Spatial Herschel et des télescopes terrestres (IRAM, JCMT), j'ai déterminé des rapports HDO/H2O de la proto-étoile de type solaire IRAS 16293-2422 de l'ordre de 2% dans le hot corino, la partie interne de l'enveloppe suffisamment chaude (T>100 K) pour que les molécules d'eau collées à la surface des grains désorbent en phase gazeuse, et de 0.5% dans l'enveloppe externe plus froide. Grâce à ce travail (Coutens et al. 2012), la présence en avant-plan d'une couche d'absorption riche en eau a été mise en évidence observationnellement pour la première fois. Elle pourrait être due à des processus de photo-désorption des molécules d'eau piégées dans les manteaux de glace des grains, en bordure de nuage moléculaire, par le champ interstellaire UV. Les estimations des rapports HDO/H2O ainsi que D2O/HDO dans cette source permettent de contraindre les conditions de formation de l'eau dans ce type d'objet et suggèrent notamment que l'eau se serait probablement formée avant l'effondrement gravitationnel du nuage. Cette étude a ensuite été étendue à d'autres proto-étoiles de type solaire NGC 333 IRAS4A et NGC1333 IRAS4B pour lesquelles j'ai estimé les abondances d'eau deutérée et constaté qu'une couche d'absorption étendue entourait également ces sources. Les rapports HDO/H2O élevés de la proto-étoile IRAS 16293-2422 suggèrent que des mécanismes nécessaires à la diminution de ces rapports isotopiques prennent place entre l'étape de Classe 0 et la formation des comètes. Il faudra néanmoins étudier un plus grand échantillon de proto-étoiles pour savoir si cette tendance est générale ou non. Les abondances de HDO obtenues dans les proto-étoiles NGC1333 IRAS4A et NGC1333 IRAS4B serviront donc à de prochaines estimations des rapports HDO/H2O. Enfin, je me suis également attachée à étudier l'eau deutérée dans des sources proto-stellaires beaucoup plus massives et plus lumineuses que les proto-étoiles de type solaire et présente ici le cas de la région HII ultra-compacte G34.26+0.15.