LERMA UMR8112

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



Accueil > fr > Recherche > Milieu Interstellaire et Plasmas > Interactions matière / rayonnement

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.

JPEG - 1300 ko

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.

JPEG - 297.3 ko


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.

JPEG - 280.0 ko


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.

JPEG - 198.5 ko


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 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
 
Tous les séminaires...