LERMA UMR8112

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



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Plasmas stellaires et astrophysique de laboratoire

publié le , mis à jour le

Depuis le coeur des étoiles jusqu’à leurs environnements proches, la matière est plasma. Sa structure, sa composition et sa dynamique sont gouvernées par le champ magnétique, le rayonnement et les particules énergétiques. Comprendre les processus physiques à l’œuvre dans ces environnements est un enjeu essentiel pour pouvoir interpréter correctement les observations spatiales à haute résolution angulaire et spectrale. Théorie, simulation et expériences permettent de comprendre des processus variés comme la diffusion radiative à l’intérieur des étoiles et les processus d’accrétion éjection dans les environnements stellaires.
Aux petites échelles, il s’agit d’étudier la physique universelle des chocs, des instabilités magnétiques, de la reconnexion, ainsi que les processus de génération de rayons cosmiques et leur interaction avec le milieu ambiant. Les très grandes installations de physique LMJ, NIF, SANDIA, et de calcul intensif ouvrent de nouveau horizons pour l’astrophysique de laboratoire qui permet d’étudier au laboratoire ce type de processus qui structurent l’espace.
Dans des conditions extrêmes de température, les modèles classiques deviennent inadaptés. L’une des difficultés consiste à modéliser les processus de transport. Les marches quantiques pourront peut-être apporter une réponse à cette question.

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Comment expliquer le lancement des jets stellaires ? Les scénarios actuels sont ils suffisants ? Quel est le rôle des instabilités dans ces phénomènes ? Quel est le rôle du rayonnement dans les chocs internes de ces jets ? Pourquoi le taux d’accrétion stellaire sur les proto étoiles est il plus faible quand on le déduit des observations X avec CHANDRA ou XMM ou des observations dans le visible ? Quel est le rôle du transport radiatif dans ce phénomène ? Quel est le régime thermodynamique ?

Pour répondre à ces questions nous utilisons une approche duale car elle vise à combiner l’étude des phénomènes fondamentaux au laboratoire et dans l’espace, en veillant à respecter une mise à l’échelle adéquate. Cette étude est basée sur trois piliers : théorie, simulation numérique et expériences de laboratoire. Nous développons pour ce faire trois codes de simulations numériques multi dimensionnels, MHD (GORGON), hybride (PHARE) et de transfert radiatif (IRIS). Ces codes ont la spécificité de pouvoir s’appliquer aux plasmas astrophysiques comme de laboratoire. Nous participons, conduisons ou interprétons des expériences sur diverses installations, notamment des grandes installations laser (LULI, ORION, PALS), Z- pinches (MAGPIE, SANDIA) ainsi que des expériences de laboratoire.


Découvrez ci-dessous quelques résultats récents.


Jets stellaires : formation et collimation

Le champ magnétique joue un rôle essentiel dans les processus d’accrétion et éjection de matière dans différents objets astrophysiques, notamment les étoiles jeunes. Ils génèrent également tout une série d’instabilités spécifiques et sont un élément majeur dans les processus de turbulence et d’accélération. Nos études s’appuient sur des expériences réalisées notamment au LULI. Nous avons stimulé les premières expériences relatives à l’effet d’un champ magnétique externe sur une plume plasma générée par interaction entre un laser et une surface métallique.
Notre activité est plutôt liée à la simulation multidimensionnelle de ces écoulements astrophysiques et de laboratoire. Pour ce faire, nous développons des codes MHD comme GORGON qui peut modéliser les plasmas denses magnétisés générés par laser ou par Z pinch. Actuellement nous développons, en partenariat avec le LPP un code hybride 3D PHARE.
Nos développements récents concernent l’étude de la collision de jets magnétisés sur avec des surfaces, en lien avec le processus d’accrétion sur les étoiles jeunes et l’étude d’instabilité de faisceaux, en lien avec l’interaction entre les rayons cosmiques et le milieu interstellaire.

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Accrétion stellaire

Les jeunes étoiles accrètent de la matière du disque qui les entoure et l’éjectent sous forme de jets puissants. Le scénario magnétosphérique indique que le flot d’accrétion est canalisé par le champ magnétique (quelques kG) et frappe l’atmosphère à plusieurs centaines de km/s, générant des chocs hypersoniques. Ce modèle prédit des oscillations quasi périodiques (QPO) qui ne sont pas observées. Le taux d’accrétion déduit du rayonnement X est par ailleurs inférieur aux estimations obtenues dans d’autres domaines spectraux. Nous prouvé que ces constatations peuvent s’expliquer soit par des variations aléatoires dans l’écoulement détruisant la cohérence d’ensemble du phénomène, soit par des effets de bord au niveau de la photosphère qui masque en partie les sources de rayonnement dur. Nous avons aussi montré que l’introduction du transfert dans les modèles hydrodynamiques conduit à une profonde modification de la dynamique des QPO.

Chocs radiatifs

Les expériences de laboratoire réalisées sur les chocs radiatifs apportent de précieuses indications sur l’effet du rayonnement sur les chocs. Nos dernières expériences ont permis, pour la première fois, d’obtenir une image complète d’un choc expérimental avec le post choc, le front de choc et le précurseur radiatif. Seules des simulations 2D munies d’opacités adéquates permettent de reproduire un tel phénomène même dans une configuration expérimentale qui n’est pas si lointaine d’une configuration 1D.

IRIS3D

Des spectres synthétiques peuvent être générés par le code de transfert radiatif 3D IRIS pour interpréter observations et mesures. A partir d’une structure hydrodynamique donnée, IRIS, utilisé en post-traitement, résout l’équation de transfert radiatif tridimensionnelle par la méthode des caractéristiques courtes. Il calcule l’intensité spécifique spectrale émise en tout point de la structure hydrodynamique et pour toute direction de propagation du rayonnement. Il prend en compte les champs de vitesses, ce qui permet de simuler leurs effets sur les spectres simulés. Il peut aussi calculer le transfert pour des structures périodiques.

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Opacités et structure interne des étoiles

Le fort rayonnement émis dans les couches internes du soleil et des étoiles est en retour absorbé au cours de sa propagation vers la surface stellaire. L’opacité et l’accélération radiative sont deux ingrédients majeurs qui ont un fort impact sur les conditions locales en température et sur la composition chimique. Notre activité se décline dans le calcul et la mise à disposition publique d’opacités pour la physique stellaire (projets OPACITY et TIPTOP), utilisées par l’équipe pour la modélisation de la structure interne des étoiles, notamment du soleil et les plasmas (WDM) de laboratoire. La validation expérimentale de ces calculs est essentielle et nous nous appuyons pour ce faire sur des expériences de laboratoire, réalisées sur de grandes installations lasers (LULI2000 par exemple) et de puissance électrique pulsée (SANDIA). Les développements en cours concernent l’opacité des ions du groupe du Fer (Cr, Mn, Fe et Ni) ainsi que l’étude des différents processus et approximations susceptibles de résoudre le problème actuel du fort désaccord entre la dernière expérience de la SANDIA et tous les calculs théoriques. De nouvelles collaborations se développent afin de mener à bien des expériences en tirant partie de nouvelles installations comme SACLA (Japon).


Vers une nouvelle astrophysique de laboratoire, les marches quantiques

Les marches quantiques (MQs) sont des modèles discrets de transport quantique. On peut les considérer comme des équivalents quantiques des marches aléatoires classiques et elles sont utiles dans de nombreux contextes qui vont de l’information quantique à la biophysique en passant par la physique de la matière condensée. Elles ont également été réalisées en laboratoire, notamment dans des systèmes optiques (voir par exemple http://quantum-technologies.iap.uni-bonn.de/en/few-atom-quantum-systems/quantum-walk.html).
Ces cinq dernières années, notre groupe a montré que les inhomogénéités temporelles et spatiales d’une MQ engendrent des champs de jauge artificiels discrets et que des MQs inhomogènes peuvent ainsi modéliser la dynamique d’une fermion couplé à des champs de Yang-Mills arbitraires ainsi qu’au champ gravitationnel. La figure 1 montre une marche quantique confinée par un champ magnétique artificiel uniforme et constant, et la figure 2 présente le mouvement d’une marche quantique autour et dans un trou noir.
Nous avons également proposé des équations de champs discrètes qui montrent comment les MQs peuvent être utilisées comme sources de ces champs de jauges artificiels. Ces équations nous ont conduit à formuler de nouvelles théories de jauge discrètes qui sont des alternatives aux théories de jauge sur réseaux.
Puisque ces nouvelles théories de jauge discrètes sont susceptibles d’être réalisées en laboratoire dans un futur proche, notre travail ouvre la voie à une nouvelle astrophysique de laboratoire où des plasmas électromagnétiques et/ou de quarks-gluons, auto-gravitant ou non, pourront être modélisés par des expériences de laboratoires sur des marches quantiques.

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Publications récentes ou significatives

Albertazzi B., A. Ciardi, M. Nakatsutsumi et al., Science, 346, 325 (2014)
Arnault P., G. Di Molfetta, M. Brachet, and F. Debbasch. Phys. Rev. A, 94:012335, 2016.
Arnault P. and F. Debbasch. Phys. Rev. A, 93:052301, 2016.
Arnault P. and F. Debbasch. Physica A, 443:179–191, 2015.
Bonito R., S Orlando, C Argiroffi, et al., ApJL, 795 (2), L34 (2014)
Chaulagain U., C Stehlé, J Larour, et al., High Energy Density Physics 17, 106 (2015)
Ciardi A., J. Fuchs, B. albertazzi, et al. PRL 110, 5002 (2013)
Delahaye, F, Zwolf C. M., Zeippen, C. , Mendoza, C., JQSRT, 171, 738 (2016)
Di Molfetta G., F. Debbasch, and M. Brachet. Physica A, 397:157–168, 2014.
Di Molfetta G., F. Debbasch, and M. Brachet. Phys. Rev. A, 88:042301, 2013.
Huarte-Espinosa M., Frank. A., Blackman, E.G. et al. ApJ 757, 66 (2012)
Ibgui L., I Hubeny, T Lanz, C Stehlé, A&A 549, A126 (2013)
Matsakos T., JP Chièze, C Stehlé, et al., A&A 557, A69 (2013)
Sotelo M., P Velarde, AG de la Varga, et al. High Energy Density Physics 17, 68 (2015),
Suzuki-Vidal F., S. Lebdev, A. Ciardi et al., ApJ 815, 96 (2015)
Villante, F. L., Zerenellu, A. M., Delahaye, F., Pinsonneault, M. H., ApJ 787, 13 (2014)
Vaytet, N., Chabrier, G., Audit, E., et al., A&A 557, A90 (2013)


Membres de l’équipe

Arnault Pablo

Ciardi Andrea

Colombo Salvatore

de Sa Lionel

Debbasch Fabrice

Delahaye Franck

Drouin Matthieu

Guyot Julien

Ibgui Laurent

Khiar Benjamin

Laxmi Singh Raj

Nicolas Loic

Stehlé Chantal

Van Box Som Lucile

Zeippen Claude

Séminaires à venir

Vendredi 16 novembre 2018, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Quantum walks and astrophysical plasmas
Fabrice DEBBASCH
UPMC, LERMA, Paris
résumé :
Quantum walks (QWs) have been first considered by Feynman in the 1940's and later introduced systematically in the 1990's in the context of quantum information. These discrete automata are a universal quantum computation tool and their first experimental realisation is less than 10 years old (2009).

I will present some of the research conducted at the LERMA since 2012. I will explain that QWs can be viewed as models of Dirac fermions (electrons etc.) interacting with gauge fields like EM fields and gravitation and that QWs can be used to build self-consistent many body theories. These results pave the way towards new numerical simulations and laboratory experiments modelling astrophysical and cosmological relativistic quantum plasmas through QWs.
 
Vendredi 30 novembre 2018, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Multiscale star-formation in the Ophiuchus Molecular Cloud: from molecular clouds to brown-dwarfs formation
Bilal LADJELATE
IRAM
résumé :
From molecular clouds to stars, every step of the evolution of young stars can be observed in the submillimetric range. The Herschel Space Telescope observed, as part of the Herschel Gould Belt Survey, many molecular clouds. When these molecular clouds are fragmenting, dense prestellar cores accumulating dust and gas are forming and contracting. We performed a census of prestellar dense cores in the Ophiuchus Molecular Cloud, which appear to be coupled with filamentary structures, as part of the paradigm of star-formation inside interstellar filaments. The region was not previously known as filamentary, despite the observation of protostellar alignments. This molecular cloud is under the heavy feedback of active stars nearby seen in the structure of the molecular cloud. Oph B-11, detected with interferometric observations, is a brown dwarf precursor, which final mass will not be important enough for the final star to burn hydrogen. Their formation mechanism is not well constrained, we must find and characterize a first candidate pre-brown dwarf. Oph B-11 was detected along a nearby shock, we characterize chemically. Moreover, higher resolution studies with ALMA show a structured molecular environment and help us constrain the mechanism of formation of this kind of objects. These observations show a series of shocks in different tracers, spatially coincident with the detected position of the pre-brown dwarf, in favour of the gravo- turbulent scenario for the formation of brown dwarfs. I will discuss the legacy of Herschel in the Ophiuchus region in the filament paradigm of star-formation, and the future of these studies with the advent of new instruments, like NIKA2 and its polarimetry facility.
 
Vendredi 21 décembre 2018, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Astrochemistry in star forming regions : new modeling approaches
Emeric BRON
IRAM/LERMA
résumé :
Star-forming regions present rich infrared and millimeter spectra emitted by the gas exposed to the feedback of young stars. This emission is increasingly used to study the star formation cycle in other galaxies, but results from a complex interplay of physical and chemical processes : chemistry in the gas and on grain surfaces, (de)excitation processes of the atoms and molecules, heating and cooling balance,... Its understanding thus requires detailed astrochemical models that include the couplings between these processes. In this talk, I will present several examples where new modeling approaches of specific processes and their couplings proved crucial to solve persistent observational riddles : from the driving role of UV irradiation in the dynamics of photodissociation regions (PDR) to the efficient reformation of molecular hydrogen in these regions.
 
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