LERMA UMR8112

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



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Spin, Photons et glaces

par Jean-Hugues Fillion - publié le , mis à jour le

Composition de l’équipe

Xavier Michaut (MCF – Responsable d’équipe), Jean-Hugues Fillion (Prof.), Mathieu Bertin (MCF), Géraldine Féraud (MCF), Laurent Philippe (MCF), Pascal Jeseck (Ingénieur de recherche), Thomas Putaud (Doctorant), Rémi Dupuy (Doctorant)

Contexte

L’univers froid possède une grande richesse moléculaire, des plus simples espèces comme H2, H2O ou CO jusqu’à des espèces organiques de complexité croissante (alcools, aldéhydes, acides carboxyliques…), dont l’avènement des nouveaux radiotélescopes, spatiaux ou terrestres, permet la détection de plus en plus précise dans les régions de formation d’étoile et de planètes. La sensibilité croissante de ces instruments permet également la mesure des états quantiques rotationnels de ces molécules, et en particulier leur état de spin nucléaire (isomérie de spin nucléaire), un paramètre pouvant retracer l’histoire thermique des molécules observées.
Dans ces zones, la température ambiante ( 10-100 K) fait que la majorité des molécules complexes se forment ou condensent à la surface de grains de poussière, formant un manteau glacé qui en constitue le réservoir principal. Ce sont ces glaces qui, lors de leur sublimation, enrichissent la phase gaz et contrôlent ainsi sa constitution chimique, tout en influant sur les propriétés intrinsèques des molécules qui sont détectées. Les phénomènes de désorption et d’échange entre les phases solide et gaz sont donc une étape clef dans la compréhension des observations des molécules dans les zones froides du milieu interstellaire.

L’équipe

L’équipe « Spins, Photons and Ices » est une équipe de physique expérimentale, qui s’intéresse aux phénomènes d’adsorption et de désorption des molécules d’intérêt astrophysique, et à l’influence de ces processus sur l’état quantique des molécules, en particulier leur état de spin nucléaire. Les expériences réalisées par le groupe visent à simuler en laboratoire ces processus et à comprendre ces phénomènes de façon quantitative, et à l’échelle microscopique. Pour cela, l’équipe fait appel à des méthodes de spectroscopie (de masse, infrarouge à moyenne et très haute résolution, et spectroscopie laser), et aux techniques de vide et ultravide et de cryogénie afin de se placer dans les conditions extrêmes du milieu interstellaire.
L’équipe dispose de deux dispositifs instrumentaux complémentaires pour mener ses études. Le dispositif SPICES est un montage sous ultravide (pression 10-10 Torr), dans lequel sont étudiés les glaces et les phénomènes d’adsorption et de désorption, thermique ou photo-induite. SPICES est conçue pour s’adapter à plusieurs types de sources de rayonnement pour la spectroscopie ou pour simuler le rayonnement interstellaire : des sources laser allant de l’infrarouge à l’UV du vide, disponibles au laboratoire, ou encore le rayonnement synchrotron (ligne DESIRS du synchrotron SOLEIL) où une partie des expériences est menée. Le dispositif CoSpiNu est quant à lui adapté pour l’étude des petites molécules d’intérêt astrophysique, en phase gaz, à l’interface solide-gaz ou en matrice de gaz rare à très basse température. Le dispositif est relié à un spectromètre infrarouge, sous vide et à très haute résolution, qui permet la détection de très petites quantités de gaz, et la détermination leur état de spin nucléaire.

Thématiques développées

  • L’adsorption et la désorption thermique d’atomes et de molécules à partir de surfaces d’intérêt astrophysique – Dispositif SPICES, thèse Mikhaïl Doronin, collaboration Y. Ellinger, A. Markovitz, F. Pauzat (LCT - Paris).
  • UV Photo-induced desorption : quantification and molecular mechanisms – SPICES setup, collaborations with H. Linnartz (Leiden Observatory - NL), K. Öberg (Harvard Smithsonian - USA), V. Baglin (CERN - CHE). Experiments realized partly at the SOLEIL synchrotron (France).
  • Conversion de spin nucléaire en matrice de gaz rare et à l’équilibre solide-gaz –Dispositif CoSpiNu, collaborations C. Pardaneau, S. Coussan, C. Martin (PIIM – Marseille), P. Cacciani, M. Khelkhal et J. Cosleou (PhLAM – Lilles), P. Ayotte, P-A Turgeon, J. Vermette (Université de Sherbrook, Canada).
  • Influence de la désorption sur les états quantiques et spin nucléaire des molécules – dispositifs SPICES et CoSpiNu.


Contrats et sources de financement
 : ANR Gasospin (ANR-09-BLAN-0066-01), Programme National du CNRS « Physique et Chimie du Milieu Interstellaire » (PCMI), Plateforme de l’Université Pierre et Marie Curie « Astrolab », Labex de l’Université Pierre et Marie Curie « MiChem », soutient de la région Ile-de-France DIM-ACAV (astrophysique et conditions d’apparition de la vie).

Séminaires à venir

Vendredi 22 mars 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
New Planckian quantum phase of the Universe before Inflation: Its present day and Dark Energy implications
Sanchez, Norma
LERMA
résumé :
The physical history of the Universe is completed by including the quantum planckian and super-planckian phase before Inflation in the Standard Model of the Universe in agreement with observations. In the absence of a complete quantum theory of gravity, we start from quantum physics and its foundational milestone: the universal classical-quantum (or wave-particle) duality, which we extend to gravity and the Planck domain. A new quantum precursor phase of the Universe appears beyond the Planck scale. Relevant cosmological examples as the Cosmic Microwave Background, Inflation and Dark Energy have their precursors in this era. A whole unifying picture for the Universe epochs and their quantum precursors emerges with the cosmological constant as the vacuum energy, entropy and temperature of the Universe, clarifying the so called cosmological constant problem which once more in its rich history needed to be revised. The consequences for the deep universe surveys, and missions like Euclid will be outlined.
 
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.”

 
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