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 4 décembre 2020, 14h00
via Zoom,
Simulating galaxies at high resolution in their cosmological context with NewHorizon: methods and some key results on galaxy properties and their morphology
Yohan DUBOIS
Institut d'Astrophysique de Paris
résumé :
Hydrodynamical cosmological simulations are increasing their level of realism by considering more physical processes, having more resolution or larger statistics. However, one usually has to either sacrifice the statistical power of such simulations or the resolution reach within galaxies. I will introduce the NewHorizon project where a zoom-in region of ~(16 Mpc)^3, larger than a standard zoom-in region around a single halo, embedded in a larger box is simulated at high resolution. A resolution of up to 34 pc, typical of individual zoom-in state-of-the-art resimulated halos is reached within galaxies, allowing the simulation to capture the multi-phase nature of the interstellar medium and the clumpy nature of the star formation process in galaxies. I will present and discuss several key fundamental properties of galaxies and of their black holes. Due to its exquisite spatial resolution, NewHorizon captures the inefficient process of star formation in galaxies, which evolve over time from being more turbulent, gas-rich and star-bursting at high redshift. These high redshift galaxies are also more compact, and are more elliptical, disturbed and clumpier until the level of internal gas turbulence decays enough to allow for the formation of stable rotating discs. I will show the origin and persistence of the thin and thick disc components, and explain why the settling of discs ``magically’’ occurs at around a stellar mass of 1e10 Msun.

 
Vendredi 11 décembre 2020, 14h00
via Zoom,
Investigating the physical processes driving the evolution of baryons in local and high-redshift low-metallicity galaxies
Ambra NANNI
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
résumé :
The chemical enrichment in the interstellar medium of galaxies is regulated by several physical processes: stellar birth and death, dust growth and destruction, galactic inflows and outflows. Understanding the interplay of such processes is essential in order to study galaxy evolution, the chemical enrichment of the Universe through the cosmic epochs and to interpret the available and future observations. Despite the importance of such topics, the contribution of different stellar sources to the chemical enrichment of galaxies, e.g. massive stars exploding as Type II supernovae and low-mass stars, as well as the mechanisms driving the evolution of gas, metal and dust grains, remains controversial. In this seminar, I will revise our current knowledge on these physical processes and the observational challenges. I will then present the results of a recent investigation focused on local low-metallicity galaxies for which the evolution of metals, gas and dust content has been studied. In particular, I will show how the comparison between model predictions and observations can allow us to identify the most relevant physical processes determining the chemical evolution of these systems. I will then discuss how the information derived for local low-metallicity galaxies can be employed to study Lyman-Break Galaxies at the epoch of reionization, which are often considered to be their high-redshift counterparts.


 
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