LERMA UMR8112

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



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Excitation collisionelle et Réactivité des molécules interstellaires

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

Membres

F. Dayou (MCF), C. Balança (MCF), A. Spielfiedel (CR CNRS), L. Tchang-Brillet (Prof.), N. Feautrier (Chercheuse bénévole), I. Oueslati (doctorant)

Contexte

Les informations sur les conditions physiques et la composition chimique des environnements astrophysiques sont déduites de l’observation de la lumière issue de ces milieux, par la modélisation des profils (formes et intensités) des raies spectrales atomiques et moléculaires. Afin d’obtenir un diagnostic fiable, il est essentiel de décrire avec précision les principaux mécanismes de peuplement des états quantiques des atomes et molécules, tels que l’excitation radiative (par photons IR ou UV) et les collisions inélastiques (avec H, He, H2 et les électrons). La confrontation des abondances moléculaires observées avec celles prédites par les modèles de chimie permet ensuite de retracer l’évolution de la matière, et identifier ainsi les mécanismes à l’origine de la synthèse des molécules. Dans ce cas, des informations détaillées sur un grand nombre de réactions, chimiques et photo-induites, en phase gaz ou à la surface des grains, sont indispensables à une modélisation fiable des milieux astrophysiques.

Activités de recherche


Les travaux réalisés au sein de notre équipe ont pour objectif d’étudier les propriétés fondamentales des atomes et molécules par le développement d’approches théoriques et la mise en oeuvre de simulations numériques. Plus particulièrement, il s’agit de déterminer comment les atomes et molécules interagissent avec leur environnement, qu’il s’agisse de lumière, d’autres espèces isolées, ou de matériaux solides. Les propriétés (structurales, énergétiques et électriques) des systèmes en interaction sont déterminées par des méthodes de chimie quantique. A partir des propriétés calculées, les grandeurs nécessaires aux modélisations astrophysiques sont ensuite obtenues en simulant la dynamique du processus étudié, à l’aide d’approches classique (méthode des trajectoires quasi-classiques) ou quantiques (méthodes dépendante et indépendante du temps) de la dynamique. Les simulations de ces processus fournissent également de précieuses informations sur les mécanismes microscopiques mis en jeu.


Différents processus sont actuellement étudiés suivant cette méthodologie dans notre équipe, telle que l’excitation ro-vibrationnelle de petites molécules (neutres ou ionisées) par collision avec H2, mécanisme d’excitation collisionnelle dominant dans les milieux interstellaires et circumstellaires. Des travaux similaires concernent l’excitation électronique d’atomes (neutres ou ionisés) par collision avec H, processus d’intérêt pour l’étude des atmosphères stellaires. Nous nous intéressons également à la réactivité en phase gaz, notamment aux réactions chimiques entre radicaux neutres, efficaces même aux très basses températures rencontrées dans les nuages denses du milieu interstellaire, ainsi qu’à la photodissociation de petites molécules, jouant un rôle important dans la chimie des milieux soumis au rayonnement UV. Enfin, les réactions hétérogènes à l’interface gaz-grains sont étudiées, en considérant des agrégats moléculaires de tailles variées comme modèles de la surface des grains interstellaires.

Thèmes développés & collaborations

  • Ro-vibrational excitation of molecules by collisions IPAG (Grenoble), LOMC (Univ. Le Havre), LSAMA (Univ. Tunis), CAB. INTA (CSIC, Madrid, Spain), IEM (CSIC, Madrid, Spain), IFF (CSIC, Madrid, Spain), CIQ (Univ. Morelos, Cuernavaca, Mexico)
  • Electronic excitation of atomic species by collisions LMSME (Univ. Marne-la-Vallée), Herzen Univ. (St Petersburg, Russia), Uppsala Univ. (Uppsala, Sweden)
  • Gas-phase chemical and photo-induced reactions PhLAM (Univ. Lille 1), ISM (Univ. Bordeaux), IPR (Univ. Rennes 1), ICB (Univ. Dijon), INSTEC (La Havana, Cuba), IFF (CSIC, Madrid, Spain), QFA (Univ. Autonoma, Madrid, Spain)
  • Formation mechanisms of small molecules on silicate dust grains LPMC (Univ. Tunis)

Financements

Programme National du CNRS "Physique et Chimie du Milieu Interstellaire" (PCMI)
Programme National du CNRS "Physique Stellaire" (PNPS)
Action spécifique GAIA (AS GAIA)

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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