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 28 juin 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Is accretion-driven turbulence a key process for galaxy growth ?
Pierre GUILLARD
IAP
résumé :
Spitzer and Herschel infrared spectroscopy has revealed a population of nearby galaxies with weak star formation and unusually bright emission lines (e.g. [CII], H2), with very broad linewidths. The line luminosities are greatly in excess of that expected by photoelectric heating of the gas, suggesting that they are powered by the dissipation of turbulent kinetic energy. This discovery of large masses of gas not associated with star formation reveal the potentially important, but largely unexplored, role that turbulence plays in the energetics and formation of multiphase gas on galactic scales. Is this relevant for filamentary gas accretion onto halos of galaxies? I will discuss a toy model in which some of the gravitational potential energy is transferred into gas accretion streams as they penetrate deeper into halos of young galaxies, and part of that energy is dissipated through a turbulent cascade in the warm infalling gas. We have modeled the excitation of the [CII] line as gas is cooling isobarically during its transition from the warm ionized to cold neutral medium. We find that the contribution of [CII] to the total gas cooling rate is increased to 30% and that this [CII] luminosity fraction is largely independent of metallicity. This may explain the recent ALMA detections of [CII] line emission from very high-redshift galaxies, that is not co-spatial with their UV-continuum and have ratios of [CII] to infrared luminosity that are higher than that expected from star formation.
 
Vendredi 5 juillet 2019, 14h00
Salle de l'atelier, Paris
Distributions of shock waves: probing extra-galactic turbulence
Andrew LEHMANN
ENS
résumé :
Galactic super-winds driven by stars or supermassive black holes are an important feedback mechanism impacting the formation and evolution of galaxies as well as the enrichment of the intergalactic medium. These multiphase winds are observed at velocities (~1000 km/s) that would completely destroy molecules and ionise atoms if their energy dissipated in simple large scale shocks. An emerging picture instead considers a turbulent cascade mediating the transfer of energy from the large scale to the small, dissipating in myriad lower velocity shocks.

In this context I will present my work on low and intermediate velocity (2-50 km/s) molecular shocks. At low velocities in the dense interstellar medium, the rich complexity of magnetohydrodynamics allows for different kinds of shocks at speeds around the Alfven velocity. Counter intuitively, warm J-type shocks re-emerge at very low velocities which may be important for molecule production in turbulent molecular clouds. At higher velocities, shocks are hot enough to produce significant UV radiation that propagates ahead of the shock to generate a radiative precursor. Such a shock requires a careful treatment of the radiative transfer, and a self-consistent iterative method. I will present my implementation of such methods in the Paris-Durham shock code.
 
Vendredi 20 septembre 2019, 14h00
----------, Paris
Challenging a Newtonian prediction through Gaia wide binaries
Xavier HERNANDEZ
UNAM, Mexico
résumé :
Under Newtonian dynamics, the relative motion of the components of a binary star should follow a Keplerian scaling with separation. Once orientation effects and a distribution of ellipticities are accounted for, dynamical evolution can be modelled to include the effects of Galactic tides and stellar mass perturbers. This furnishes a prediction for the relative velocity between the components of a binary and their projected separation. After reviewing recent work evidencing the existence of a critical acceleration scale in Elliptical Galaxies and Globular Clusters, I will show new results showing such a phenomenology in Gaia wide binaries using the latest and most accurate astrometry available. The results are consistent with the Newtonian prediction for projected separations below 7000 AU, but inconsistent with it at larger separations, where accelerations are expected to be lower than the critical a0 value of MONDian gravity. This result challenges Newtonian gravity at low accelerations and shows clearly the appearance of gravitational anomalies of the type usually attributed to dark matter at galactic scales, now at much smaller stellar scales.


 
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