LERMA UMR8112

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



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Interactions matière / rayonnement

publié le , mis à jour le

Les atomes, les molécules et les grains tracent l’évolution chimique de l’Univers, depuis les galaxies lointaines pauvres en métaux jusqu’aux phases les plus denses du milieu interstellaire et aux régions de formation d’étoiles riches en molécules complexes. Sur le plan observationnel, de telles études sont en plein essor, avec la mise en service des observatoires sub-millimétriques Herschel, APEX, SOFIA, ALMA, et bientôt NOEMA. De nombreuses raies moléculaires, longtemps considérées comme des traceurs du gaz froid et dense, ont ainsi été détectées dans des milieux hostiles et peu protégés du rayonnement UV, y compris dans les galaxies actives à haut redshift.

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Ces découvertes soulèvent de nombreuses questions. Quelles sont les contributions des différentes phases du milieu interstellaire (régions HII / Warm Ionized Medium, Warm Neutral Medium, Cold Neutral Medium) dans les raies d’émission d’espèces atomiques et moléculaires et que peut-on déduire sur les structures de ces phases ? Les modèles actuels peuvent-ils expliquer la richesse moléculaire des environnements astrophysiques et les corrélations spectrales et spatiales observées dans les milieux galactiques et extragalactiques ? Quels sont les processus physico-chimiques dominants ? Et enfin, comment déduire des observations le bilan d’énergie des galaxies extérieures, le temps caractéristique du cycle de la matière et son évolution avec la métallicité ?

Afin de résoudre ces problèmes, notre équipe est spécialisée dans la conception et le développement d’outils de modélisation capables de traiter tous les couplages entre la matière, le champ de rayonnement multi-longueur d’onde et les particules de haute énergie. La plupart des développements numériques que nous proposons est ainsi effectuée dans le cadre du code PDR de Meudon, un modèle accessible au public (http://ism.obspm.fr) qui décrit les structures chimique et thermique d’un nuage interstellaire soumis à un champ de rayonnement externe. L’originalité de notre approche est de modéliser aussi précisément que possible les détails des processus de microphysique à l’œuvre dans le milieu interstellaire afin d’estimer leur impact global sur la physico-chimie. Nos travaux, qui s’appuient sur les résultats d’expériences en laboratoire et de calculs théoriques (e.g. spectroscopie, processus collisionnels) sont donc fortement interdisciplinaires, alliant chimie, transfert, dynamique et physique atomique et moléculaire.


Découvrez ci-dessous quelques résultats récents.


Fluctuations de température des grains interstellaires

Les grains interstellaires ne sont pas toujours à l’équilibre thermique mais fluctuent sur une vaste gamme de température. En développant une nouvelle méthode de résolution de l’équilibre statistique du système, nous avons montré que cet aspect de la microphysique des grains, généralement négligé dans les modèles de chimie interstellaire, a un impact capital sur tous les processus de surface, en particulier les réactions chimiques, la conversion ortho-para et les processus de désorption. Nos travaux montrent ainsi que ce processus modifie profondément les intensités des raies de H2 prédites dans les PDRs galactiques comparés aux modèles traditionnels.


Excitation de CO dans les PDRs


L’un des résultats marquants des observatoires Herschel, APEX et ALMA est la détection de nombreuses transitions rotationnelles de la molécule CO (jusqu’à J = 49-48) dans une grande variété de milieux astrophysiques incluant le milieu interstellaire galactique et les galaxies extérieures. Cette excitation de CO permet de déterminer quelles sources d’énergie (photons UV et X, énergie mécanique) affectent le gaz interstellaire si l’on dispose de modèles numériques suffisamment sophistiqués pour rendre compte des processus complexes à l’oeuvre. Nous avons montré que des composantes PDRs peuvent naturellement expliquer l’excitation de CO dans la nébuleuse NGC 7023 et dans la barre d’Orion sans faire appel à des hypothèses ad-hoc dès lors que le traitement de la formation de H2 sur les grains est traité en détail.

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Chimie de surface

Puisque de nombreuses molécules interstellaires sont produites sur les grains, nous avons récemment raffiné notre traitement de la chimie des surfaces. Nous avons ainsi introduit la formation de H2 dans les sites de chimisorption et de physisorption et développé un nouveau formalisme pour décrire la formation de manteaux, l’adsorption / désorption des espèces et les réseaux chimiques complexes sur les surfaces. Ce nouveau modèle permet de rendre compte de la présence de H2 au bord des PDRs ainsi que des molécules complexes comme le méthanol ou le formaldéhyde comme celles observées dans la nébuleuse de la tête de Cheval obtenues avec l’interféromètre du Plateau de Bure.

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Chimie de l’azote dans le milieu interstellaire

Une part importante de notre travail consiste à surveiller les améliorations des bases de données cinétiques, en coordination avec nos collègues physiciens et chimistes, pour mettre à jour nos réseaux chimiques. En concentrant notre attention sur les molécules azotées, nous avons construit un réseau chimique contenant D, 13C et 15N afin d’étudier les processus de fractionnement dans le milieu interstellaire. Ce réseau, testé dans des conditions de nuages denses et de cœurs préstellaires, prédit, entre autres, que les nitriles et isonitriles sont systématiquement déplétés en 13C, ce qui remet en question les interprétations des observations de ces milieux.


Diagnostics du milieu interstellaire multiphasique

L’interprétation des observations extragalactiques est problématique car les lignes de visée peuvent englober les contributions d’une multitude d’environnements, où la chimie est gouvernée par le rayonnement (région HII, PDRs, XDRs), les rayons cosmiques, ou la dissipation d’énergie mécanique (chocs, TDRs). Afin de couvrir une plus grande variété de milieux, nous avons étendu les prédictions du modèle PDR de Meudon aux régions dominées par les rayons X en traitant tous les couplages induits par leurs interactions avec la matière. Ceci nous a permis d’identifier les transitions atomiques et moléculaires les plus sensibles au champ X mais aussi d’interpréter les observations extragalactiques du Grand Nuage de Magellan.

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Publications récentes ou significatives

Bron, E. ; Le Bourlot, J. ; Le Petit, F., 201 4,A&A, 569, 100
Godard, B. ; Cernicharo, J., 2013, A&A, 550, 8
Le Bourlot, J. ; Le Petit, F. ; Pinto, C. ; Roueff, E. ; Roy, F., 2012, A&A, 541, 76
Le Petit, F. ; Nehmé, C. ; Le Bourlot, J. ; Roueff, E., 2006, ApJS, 164, 506
Le Petit, F. ; Ruaud, M ; Bron, E. ; Godard B., et al., 2015, A&A, in press.
Levrier, F. ; Le Petit, F. ; Hennebelle, P. ; Lesaffre, P. ; et al., 2012 A&A, 544, 22
Neufeld, D. A. ; Roueff, E. ; Snell, R. L. ; Lis, D. ; et al., 201 2,ApJ, 748, 37
Roueff, E. ; Loison, J. C. ; Hickson, K. M., 2015, A&A, 576, 99
Sternberg, A. ; Le Petit, F. ; Roueff, E. ; Le Bourlot, J., 2014, ApJ, 790, 10
Zanchet, A. ; Godard, B. ; Bulut, N. ; Roncero, O. ; et al., 2013, ApJ, 766, 80


Membres de l’équipe

Bron Emeric

Godard Benjamin

Languignon David

Le Bourlot Jacques

Le Petit Franck

Rabasse Jean-François

Roueff Evelyne

Stephan Gwendoline

Séminaires à venir

Vendredi 5 avril 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
The magnetized interstellar medium in the Galaxy through Faraday tomography of the radio sky
Andrea BRACCO
ENS
résumé :
The study of the diffuse Galactic interstellar medium (ISM) is both a
waypoint to investigate the processes that turn gas into stars and to
account for foreground contaminations in modern high-precision
cosmological probes of the Universe.

New structures in the diffuse ionized and magnetized ISM have been
recently observed through Faraday tomography of polarization data at low
radio frequencies. Although the physical origin of these structures
remains uncertain, interesting correlations with tracers of neutral ISM,
such as atomic hydrogen lines and interstellar dust polarization, have
been found. This opens an observational window on the first stages of
phase transition between diffuse/warm and denser/colder gas under the
presence of magnetic fields, allowing us to constrain their role in
structure formation in the ISM.

In my talk I will present an overview of the recent findings in the
diffuse Galactic ISM with the LOFAR radio polarization data. I will
highlight the relevance of a thorough statistical description of these
data both for Galactic studies and for modeling their impact as a
foreground to the detection of the atomic hydrogen 21cm hyperfine
transition from the Epoch of Reionization, a key step with the upcoming
Square Kilometre Array (SKA).
 
Vendredi 12 avril 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Radiation magnetohydrodynamic models and spectral signatures of plasma flows accreting onto young stellar object
Salvatore COLOMBO
LERMA
résumé :
According to the largely accepted magnetospheric accretion scenario, classical T Tauri Stars (CTTSs) are young stars that accrete material from their circumstellar disk. The objective of my PhD project is to shed light on the processes governing the physics of the accreting plasma flows, through complete radiation magnetohydrodynamic models. In this talk, I will present the results obtained during my 18 month period in Paris.

First, I will focus on the results obtained from a 3D magnetohydrodynamical (MHD) model of a star-disk system. We simulate the effects of series of flares occurring on the surface of the disk. We observe that each flare produces a hot loops that links the star to the disk; all the loops build up a hot extended corona that irradiates the disk from above. Moreover, the flares trigger overpressure waves that travel through the disk and modify its configuration. Accretion funnels may be triggered by the flaring activity and thus contribute to the mass accretion rate of the star. The accretion columns can be perturbed by the flares. As a result, the streams are highly inhomogeneous, with a complex density structure, and clumped.

Second, I will provide the first assessment of the role of radiation effects on the dynamics and the structure of the impact region of the accreting column onto the stellar surface. In particular, we proved the existence of a radiative precursor in the pre-shock part of the accreting column. To achieve such a result, we have, for the first time, developed a Non Local Thermodynamic Equilibrium (non-LTE) radiation hydrodynamics model, which we implemented in the 3D MHD PLUTO code.”

 
Vendredi 21 juin 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Accretion-driven turbulence and observational signatures
Pierre GUILLARD
IAP
 
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