LERMA UMR8112

Laboratoire d’Études du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphères



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Turbulence & champ magnétique

publié le , mis à jour le

Le milieu interstellaire est non seulement le site de formation des étoiles et des planètes mais aussi le principal acteur de ce processus. Une thématique majeure dans le domaine est de comprendre comment les propriétés dynamiques, magnétiques, chimiques, et thermiques du milieu - étroitement couplées les unes aux autres - contrôlent sa condensation depuis ses phases les plus diffuses jusqu’aux densités stellaires, mais aussi son évolution chimique, de la formation des molécules les plus simples jusqu’aux espèces complexes.

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Comment expliquer la présence de molécules dans les phases les plus diffuses et irradiées, a priori hostiles à la survie de nombreuses espèces ? Par quelle combinaison de processus micro-physiques et macroscopiques peut-on expliquer la formation de structures complexes, depuis les échelles Galactiques jusqu’aux échelles proches du libre parcours moyen des molécules ? Quelle est la nature de la turbulence ? Quelles sont ses sources d’énergie et comment se dissipe-t-elle ? Enfin, quel est le rôle du champ magnétique dans la formation des structures et dans la dynamique des espèces chimiques ? Telles sont les questions auxquelles notre équipe tente de répondre.

La compréhension de ces processus soulève toutefois d’immenses difficultés de modélisation. Une approche numérique traitant l’évolution temporelle de toutes les espèces chimiques en trois dimensions est hors de portée des calculateurs actuels les plus puissants car les échelles s’étendent sur plusieurs ordres de grandeur. Notre équipe suit donc deux approches complémentaires : le développement de simulations numériques qui décrivent la dynamique 3D du milieu interstellaire ; et la conception d’outils de modélisation qui traitent les processus physiques et leurs interactions dans des systèmes à dimensions réduites. Notre travail comporte également la réduction et l’analyse de nombreuses observations collectées dans le cadre de collaborations internationales avec les télescopes Herschel, Planck, SOFIA et ALMA.


Découvrez ci-dessous quelques résultats récents.


Filaments de matière et champ magnétique

Les relevés du satellite Herschel ont révélé l’existence de filaments de matière dans les nuages moléculaires. Par ailleurs, l’étude de la polarisation de l’émission thermique des poussières a récemment permis de déterminer l’orientation du champ magnétique dans ces nuages. Toutes ces observations montrent que le champ magnétique est aligné avec les filaments les plus diffus et perpendiculaire aux filaments les plus denses, une tendance que l’on retrouve dans les simulations numériques du milieu interstellaire. Ces liens établis entre les structures de matière et le champ magnétique ouvrent de nouvelles perspectives sur la formation des filaments et leur évolution vers des entités gravitationnellement instables et sites de formation d’étoiles.

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Echelles dissipatives de la turbulence

La dissipation de la turbulence joue un rôle essentiel dans l’enrichissement chimique du milieu interstellaire diffus. Afin de déterminer ses propriétés dynamiques et statistiques, nous avons réalisé des simulations MHD de turbulence en déclin capables de traiter la dissipation visqueuse, ohmique et ambipolaire. Ce travail montre que 60% de la dissipation a lieu dans 10% du volume, dans des structures cohérentes, dont nous avons mesuré les dimensions fractales, et qui ont des effets importants sur de nombreuses observables (e.g. incréments de vitesse). Nous avons estimé par ailleurs que la dissipation visqueuse est dominée par sa composante incompressible.

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Modélisation du couplage chimie / dynamique

Le modèle TDR développé par notre équipe est un code numérique de pointe qui traite l’évolution chimique des structures dissipatives de la turbulence. En comparant les prédictions du modèle aux récentes observations du milieu diffus, nous avons montré que la dissipation permet d’expliquer la richesse chimique du gaz, et notamment les fortes abondances de CO, HCO+, CH+ et SH+. L’interprétation simultanée de couples de molécules nous a également permis d’estimer certaines propriétés fondamentales de la dissipation, telles que le taux de transfert d’énergie, la durée des bouffées de dissipation et le niveau de fragmentation de la matière interstellaire.

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Observations du milieu diffus galactique

Dans le cadre du programme international PRISMAS du satellite Herschel, notre équipe a mené une étude spectroscopique en absorption du milieu interstellaire diffus. Nos efforts récents se sont ainsi portés sur les raies de structure fine du carbone et de l’azote ionisé. La détection de la raie [NII] confirme le fort facteur de remplissage du gaz diffus ionisé (WIM), et permet d’estimer à 5% environ la contribution du gaz ionisé à l’absorption [CII]. L’étude des données d’absorption des molécules HF et p-H2O valide leur usage comme traceur de H2. Enfin, l’analyse des ions moléculaires OH+, H2O+ et H3O+ confirme que le taux d’ionisation par les rayons cosmiques est bien plus élevé dans le gaz diffus que dans les structures denses.


Publications récentes ou significatives

Gerin, M. ;, Ruaud, M. ; Goicoechea, J. ; et al., 2015, A&A, 573, A30
Indriolo, N. ; Neufeld, D.A. ; Gerin, M. ; et al. 2015, ApJ, 800, 40
Montier, L. ; Plaszczynski, S. ; Levrier, F. ; et al., 2015, A&A, 574, 135
Montier, L. ; Plaszczynski, S. ; Levrier, F. ; et al., 2015, A&A, 574, 136
Planck intermediate results. XIX. Planck Collaboration, A&A, 2015, 576, 104
Planck intermediate results. XX. Planck Collaboration, A&A, 576, 2015,105
Planck intermediate results. XXXV. Planck Collaboration, A&A in press
Neufeld, D. A. ; Black, J. ; Gerin, M. ; et al., 2015 ApJ 807, 54
Neufeld, D.A. ; Godard, B. ; Gerin, M. ; et al., 2015, A&A 577, A49
Godard, B. ; Falgarone, E. ; Pineau des Forêts, G., 2014, A&A, 570, A27
Hennebelle, P. ; Falgarone, E., 2012, ARAA, 20, 55
Lesaffre, P. ; Pineau des Forêts, G. ; Godard, B. ; et al., 2013, A&A, 550, 106
Levrier, F. ; Le Petit, F. ; Hennebelle, P. ; et al., 2012, A&A, 544, 22
Momferratos, G. ; Lesaffre, P. ; Falgarone, E. ; et al, 2014, MNRAS, 443, 86
Persson, C. ; Gerin, M. ; Mookerjea, B. ; et al., 2014, A&A 568, A37
Zaroubi, S. ; Jelić, V. ; de Bruyn, A. G. ; et al., 2015, MNRAS, 454, L46


Membres de l’équipe

Berthet Manuel

Falgarone Edith

Gerin Maryvonne

Godard Benjamin

Gusdorf Antoine

Lesaffre Pierre

Levrier François

Ngoc Le Tram

Pérault Michel

Orkisz Jan

Rabasse Jean-François

Séminaires à venir

Vendredi 15 novembre 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Excitation mechanisms in the intracluster filaments around the Brightest Cluster Galaxies
Fiorella POLLES
LERMA
résumé :
In the center of galaxy clusters lie giant elliptical galaxies, the Brightest Cluster galaxies (BCGs). These galaxies are often surrounded by a system of filaments (e.g. Salomé & Combes 2003) that emit in a wide range of wavelengths, illustrating the multi-phase nature of these streams. Many of these filaments do not have strong on-going star formation and the photoionization by stellar emission cannot reproduce their emission (Johnstone et al. 2007): what is preventing these structures to create stars and what heating mech- anisms are involved, are still open questions. I have investigated cosmic rays and X-rays as likely heating sources, combining multi-wavelength line emission (?23 lines: from optical to far-infrared) with Cloudy models (Polles et al in prep.). I have fully constrained the model of the ionized phase combining for the first time optical-to-infrared emission and self-consistent multi-phase models, pushing the analysis to the molecular phase on three off-nuclear regions of NGC 1275, the central giant elliptical galaxy of the Perseus Cluster. We showed that using X-ray emission as the main heating sources, all of the ionized line emission can be reproduced. We found that to reproduce [OI]63?m line, a small filling factor of the photodissociation phase is necessary. We also showed that adding an additional dense phase or an extra pressure component is required to robustly re- produce the H2 line emission.
 
Vendredi 29 novembre 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
The size of galaxies in the era of ultra-deep imaging
Nushkia CHAMBA
Instituto de Astrofisica de Canarias
résumé :
While the effective radius is a robust parameter, its use to
characterise galaxy sizes has provided a counter-intuitive definition of
what the actual extent of a galaxy is. Current deep imaging therefore
offers a unique opportunity to critically review the convention that the
size of a galaxy is its effective radius and rethink how one best
measures the extent of galaxies using a physically motivated parameter.
We introduce a new definition of galaxy size based on the gas density
threshold for star formation in galaxies. Remarkably, our new size
definition not only captures what the human visual system identifies as
the edge of a galaxy, but also dramatically decreases the scatter in the
stellar mass - size plane by a factor of three. Our size parameter
unifies galaxies spanning five orders of magnitude in stellar mass on a
single mass-size relationship. To demonstrate the implications of our
results, we show that ultra-diffuse galaxies have the same sizes as
regular dwarfs when a size indicator that describes the global structure
of galaxies is used. This work may be extended for larger samples of
galaxies using upcoming wide, deep imaging surveys.
 
Vendredi 6 décembre 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Is accretion-driven turbulence a key process for galaxy growth ?
Pierre GUILLARD
IAP
 
Vendredi 13 décembre 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Falsifying the concordance of cosmology with the large-scale structures
Benjamin L'HUILLIER
Yonsei University, Seoul
 
Vendredi 24 janvier 2020, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
The accretion-ejection connection in planet-forming disks. New perspectives from high angular resolution observations
Benoît TABONE
Leiden
 
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