Importance capitale de l'astronomie spatiale Exotic Physics of Interstellar Media - Alain Omont

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Importance capitale de l'astronomie spatiale Exotic Physics of Interstellar Media - Alain Omont
Importance capitale de l’astronomie spatiale
    Exotic Physics of Interstellar Media

                   Alain Omont
     IAP : CNRS et Université Pierre et Marie Curie
                    omont@iap.fr
Importance capitale de l'astronomie spatiale Exotic Physics of Interstellar Media - Alain Omont
L’astronomie spatiale : une nouvelle fenêtre sur l’Univers

Atmosphère terrestre : protectrice pour la biosphère
                       mais lourd handicap pour l’astronomie

 Elle bloque une grande partie de l’information sur l’Univers véhiculée
par le rayonnement électromagnétique (sauf visible et radio):
 UV, X, γ, IR (~1-1000 µm)

 De plus :
   Sérieuse déformation des images par la turbulence atmosphérique
   Emission thermique de l’atmosphère dans les domaines IR et submm
   Blocage partiel des rayons cosmiques
Importance capitale de l'astronomie spatiale Exotic Physics of Interstellar Media - Alain Omont
IRAS 1982 HST 1990 - 2015         Voyager 1978            Einstein 1979

Spitzer    2002               ISO 1995              SOHO Cassini-Huyghens 1997-2005

 Espace : Observatoires/Sondes ESA + NASA
 Planck      XMM-Newton             Gaia
                                   Gaia 2013-2020        Rosetta 2     Herschel
 2009-12          1999-2014                004-2014      2009-13      2009-2013
Importance capitale de l'astronomie spatiale Exotic Physics of Interstellar Media - Alain Omont
 M. Harwit Astrophysical Conepts 1980                       1980-2011
                              44 Matière noire 45 Molécules interst. 46 Pulsar binaire/Rel.générale
                              47 Disques planétaires      48 Oscillations solaires/stellaires
                              49 Grandes structures 50 Inflation        51 Lentilles gravitationnelles
                              52 Neutrinos : solaires/supernova 53 Trous noirs : stellaires/ Voie Lactée
                              54 Rayons cosmiques/gamma haute énergie           55 Naines brunes
                              56 Anisotropie du rayonnement cosmologique         57 Exo-planètes
                              58 Energie noire      59 Univers plat        60 Exo-planètes rocheuses

                    Fantastique accélération des découvertes
                                45/60 des plus importantes
                                découvertes astronomiques
                                ont eu lieu après 1900

           M. Harwit Cosmic Discovery 1980

                                                                1900                1980       2011
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L’astronomie spatiale : une nouvelle fenêtre sur l’Univers
                      Infrared space observations
 Earth atmosphere blocks most of IR wavelengths from 2.5 to 800µm
 Space IR observations have proved capital
 Rockett flights 1970s
 IRAS first sky survey 12, 25, 60 and 100 µm in the 1980s
 Revelation of the IR sky: proto-stars, circumstellar shelles, star
 formation in galaxies; very luminous IR galaxies: all UV energy of
 young stars processed into IR by dust absorption
 Much more sensitive studies with IR space observatories
     ISO late 1990s
     Spitzer 2000s
     Herschel 2009-2013
         (plus Akari and WISE shallow sky survey 2005-2010)
 All IR missions had IR spectrometry capabilities
  dust features (10µm silicate), PAH bands 6-12µm, discovery of
interstellar C60, etc. etc.
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IRAS 1982 HST 1990 - 2015         Voyager 1978            Einstein 1979

Spitzer    2002               ISO 1995              SOHO Cassini-Huyghens 1997-2005

 Espace : Observatoires/Sondes ESA + NASA
 Planck      XMM-Newton             Gaia
                                   Gaia 2013-2020        Rosetta 2     Herschel
 2009-12          1999-2014                004-2014      2009-13      2009-2013
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L’astronomie spatiale : une nouvelle fenêtre sur l’Univers

                   Astronomie des rayons X

 Energies élevées ; gaz très chaud ~106 K
 Optique difficile mais possible
  Fusées années 1950-1960s. 1er satellite années 1970s
 Fonds de ciel X : omniprésent
 Etoiles X : Soleil, jeunes étoiles T Tauri, etc.
 Etoiles binaires serrées d’objets compacts : découverte des trous noirs
 Amas de galaxies : énormes masses de gaz très chaud
 Noyaux actifs de galaxies

  Etudes plus poussées des différentes sources ; satellites ; années 1980-1990s
 Spectroscopie X

  ~2000-2015 grands observatoires X: Chandra (NASA), XMM-Newton (ESA)
 Observations courantes en X comme pour les autres λ
 Etudes systématiques de ces sources variées

   Athena ~2030 ESA Sensibilité et domaine spectral accrus
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L’astronomie spatiale : une nouvelle fenêtre sur l’Univers

                                Rayons γ
                   Optique difficile
                   Techniques de physique des particules

                    Fusées
                   (Satellites militaires)  sursauts γ

                    Série de satellites : COS-B, GRO …
                   Raie à 512 keV (positrons), etc.

                    INTEGRAL : Observatoire spatial
                   Centre Galactique

                                        λ des sursauts γ
                    SWIFT études multi-λ

                    FERMI-LAT
                   Sensibilité. Multi-source
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L’astronomie spatiale : une nouvelle fenêtre sur l’Univers

                       Rayons Cosmiques

       Noyaux atomiques H+, He++, etc. Plus e- etc.

       Découverte en ballon en 1910

       Années 1970-1980s études sur satellite des rayons cosmiques mous
       absorbés par l’atmosphère
       Compréhension du rôle des RC, de leur propagation (guidée par le
       Champ magnétique) et origine (restes de supernova

       Mais les RC plus énergétiques peuvent être étudiés du sol (Auger)
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L’astronomie spatiale : une nouvelle fenêtre sur l’Univers

L’astronomie a été un des principaux bénéficiaires de la conquête spatiale
dans les 50 dernières années .

 Années 1960-70 : Balbutiements observationnels spatiaux avec les fusées
  (découverte des sources X et des trous noirs ; des galaxies IR …)

 Années 1970-1985 : premiers télescopes sur satellites : tous λ

 Depuis 1990 : grands observatoires spatiaux : tous λ
  missions dédiées : relevés du ciel, rayonnement cosmologique, énergie noire,
                     exo-planètes…

En parallèle, l’astronomie a grandement bénéficié des études spatiales du Soleil
et de l’exploration du Système Solaire pour comprendre la formation
et l’évolution des systèmes planétaires, la connexion des météorites et des
comètes avec l’astrophysique, etc.
Exploration directe de tout le Système Solaire
                 par sondes spatiales

 Lune : Apollo (1969)

 Mars : multiples missions : fabuleuses images, analyses in situ

 Autres planètes et satellites  Saturne/Titan (2005)

 Noyaux de comètes et astéroïdes : analyses in situ et retour
  d’échantillons
Mars Rovers (NASA)
     2004-2012
http://www.nasa.gov/mission_pages/cassini/mult
imedia/gallery/gallery-index.html

                    Anneaux et lunes de Saturne                          Dione et Titan

                                                     Point chaud au
                          Hyperion                Pole Nord de Saturne
                                Hyperion

                                                    Cassini-
Surface glacée de Dione
                                                    Huyghens

                                                 Paysages de Titan
Survol du noyau d’une comète
   et retour d’échantillons

          Stardust Spacecraft
• Capture d’un échantillon de particules dans
  la queue de la Comète Wild 2, Tempel 1 en
  2004
• Renvoi réussi dans une capsule jusqu’à la
  Terre

       Sonde Rosetta de l’ESA
• Mise en orbite autour de la Comète lointaine
  67P/Churyumov-Gerasimenko en 2014
• Petit atterrisseur  sondages et analyses
• Accompagnement de la comète pendant 2
  ans jusqu’au Soleil
Principaux acteurs

NASA and ESA (European Space Agency)

plus Japon (JAXA)

+ Russie (soviétique), Allemagne, France…

 Chine
NASA
Enorme impact initial d’Apollo (1969)
Forte synergie militaire
Domine la scène astronomique spatiale avant 1990

       Quatre ‘Grands Observatoires Spatiaux’
Décidés dans les années 1980 pour répondre aux grandes questions
sur l’Univers, son origine, sa constitution, son histoire et celles des astres
 Astres et phénomènes extrêmes, cosmologie, nouvelle physique

 HST (Hubble Space Telescope) : visible et UV (20% ESA)

 GRO (Gamma Ray Observatory) : rayons γ

 Chandra : observatoire/télescope de rayons X

 Spitzer : observatoire/télescope infrarouge

Trois sont encore en service (partiellement pour Spitzer)
Acteurs NASA

HST (Hubble Space Telescope)

De loin le plus connu, productif et coûteux des Grands Observatoires Spatiaux
Particularité d’avoir pu être réparé/amélioré plusieurs fois grâce à des visites
d’astronomes avec la Navette Spatiale

Enorme impact scientifique et référence dans tous les domaines (galaxies,
nébuleuses, etc.) grâce à la qualité des images et la sensibilité
(plus fonctionnement dans l’UV et l’IR assez proches)

Partie du temps consacrée à des grands programmes, en particulier petits
champs ‘profonds’ (observés avec une sensibilité record )  recensement
quasi-complet de toutes les galaxies à distances cosmologiques

Communication avec le grand public (écoles etc.) extrêmement réussie
Nous sommes capables depuis quelques années de détecter des galaxies très
lointaines dans l’espace et le temps (plus de dix milliards d’années) et d’observer
ainsi directement les principales phases de formation d’étoiles dans des galaxies
analogues à la Voie Lactée, en particulier les violentes flambées initiales

Hubble
Ultra
Deep
Field
Hélice

             V838…                                Œil-de-Chat

                     Nébuleuses« planétaires »

Lion Givré                  Nébuleuse de l’Oeuf
NGC 6302

                  NGC7027   IC418

Rectangle Rouge
Supernova 1987A

Grand Nuage de Magellan (167 000 année-lumière)
Explosion/disparition d’une supergéante bleue
Détections de quelques neutrinos
Etude détaillée à toutes les longueurs d’onde
Echos optiques

                        Supernova 2014J
                      janvier-février 2014 !
                       dans la galaxie M82
                      11millions an-lumière
                      dans la Grande Ourse
Acteurs NASA Grands Observatoires

              HST (Hubble Space Telescope)

                 Successeur : JWST

Beaucoup plus grand télescope : HST 2.40m ; JWST ~6m

Fonctionnement principal dans l’infrarouge

Objectif principal jeunes galaxies à très grand redshift, galaxies en formation
et bien d’autres choses

Difficultés titanesques : miroir déployable

Dérapage des coûts > $5 milliards  hésitations passées sur son achèvement
Acteurs NASA Grands Observatoires

           Chandra (avec XMM-Newton de l’ESA)
  A été l’instrument de la maturité de l’astronomie X
  Observatoire de référence très recherché
  Champs profonds de référence

                       Spitzer       infrarouge

  Retardé, a bénéficié de l’amélioration des détecteurs infrarouge après
  ISO de l’ESA
  A fonctionné remarquablement de 3.5 à 24 µm (moins bien à 70-160 µm
  Grands programmes : relevés systématiques de surfaces, régions et
  profondeur variées
  Objets très variés ; galaxies (infrarouge, à grand redshift etc.)
  formation d’étoiles  exo-planètes
  Il a arrèté de fonctionner à λ > 5µm après épuisement de l’hélium liquide
Acteurs NASA

     Programme de petites missions de la NASA
  ~$150-500
  Environ une par an en combinant astrophysiqueet Système Solaire
  Grand succès

  Exemples :
  COBE et WMAP sur le rayonnement cosmologique : spectre
  et fluctuations
  WISE relevé du ciel infrarouge
  SWIFT (sursauts γ multi-λ
                          λ) et FERMI-LAT (γγ)
Agence Spatiale Européenne ESA

Association de tous les pays européens majeurs

Astrophysique forte priorité : programme scientifique
‘obligatoire’ très cohérent et respecté

Pierres angulaires 1990-2010 (0.5-1 Milliard Euros)
SOHO Soleil UV etc.
Cluster Milieu interplanétaire relations Soleil-Terre
ISO Observatoire infrarouge spatial
XMM-LSS Observatoire X spatial
Herschel Observatoire submillimétrique spatial
IRAS 1982 HST 1990 - 2015         Voyager 1978            Einstein 1979

Spitzer    2002               ISO 1995              SOHO Cassini-Huyghens 1997-2005

 Espace : Observatoires/Sondes ESA + NASA
 Planck      XMM-Newton             Gaia
                                   Gaia 2013-2020        Rosetta 2     Herschel
 2009-12          1999-2014                004-2014      2009-13      2009-2013
Agence Spatiale Européenne ESA
Association de tous les pays européens majeurs
Astrophysique forte priorité : programme scientifique
‘obligatoire’ très cohérent et respecté
Pierres angulaires 1990-2010 (0.5-1 Milliard Euros)
SOHO Soleil UV etc.
Cluster Milieu interplanétaire relations Soleil-Terre
ISO Observatoire infrarouge spatial
XMM-LSS Observatoire X spatial
ROSETTA
Herschel Observatoire submillimétrique spatial

Plus nombreuses autres missions :
Mars
Venus
Saturne et Titan
Integral (γγ)
Planck rayonnement cosmologique
Participation à HST, Cassini (Saturne-Titan)
Etc.
Quelles découvertes pour le 21ème Siècle ?

         - 1. Sur les rails  20 prochaines années :

- Meilleurs paramètres cosmologiques: Euclid
- Détection des premières générations de galaxies et d’étoiles de l’Univers : JWST

- Arpentage (et histoire) de la Voie Lactée (GAIA)

 - Détection d’ondes gravitationnelles ; fusion de trous noirs massifs : LISA
   et autres corps compacts ; ondes gravitationnelles primordiales (inflation)

  - Premières exo-planètes terrestres : Plato, etc.

  - Echantillons de comète  matière pré-biotique

  - Echantillons martiens  Vie ou non sur Mars
ATHENA
  Grande mission spatiale
    décidée par l’ESA
 pour la fin des années 2020

Grand télescope X
 Environnement des trous noirs
 Gaz chaud des amas de galaxies
 Etc.
Exotic Physics of Interstellar Media
                   (especially cold phases)

 Very dilute (~1 atom/cm3). Several phases (10-3 -10+5 cm-3)
 Atomic      UV(+visible) lines, radio, 21cm H line
 Molecular. Chemistry Millimeter-radio (+γ)
 Dust and carbonaceous particles (PAHs, fullerenes, etc.)
  infrared (+ UV, radio, visible [DIBs])
 Star formation. Planetary disks infrared, mm-radio)
 Ionized warm visible, radio
          hot X rays
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                  Extremely Dilute Gaz (H+He+traces)

   ~1 atom/cm3 Total mass ~1010 Msun ~ 1/10 MMilkyWay
   Several phases (10-3 -10+5 cm-3)
    Atomic 10-100 cm-3 ~MT/2 UV(+visible) lines, radio, 21cm H line
    Molecular 103-105 cm-3 ~MT/2 Millimeter-radio (+γ)
    Ionized warm ~0.1 cm-3 large volume visible, radio
    Ionized hot(coronal) 10-3–10- 3cm-3 most of the volume +halo Xrays

                               ‘Cosmic’ abundances
   Mass: H ~75% He ~23% Others(O,C,N,Ne,Mg,Si,Fe,etc.) ~2%
   Number: H~90% He~8% O,C~4-6 10-4                             Mg,Si,Fe a few 10-5
   Dust: ~1% in mass: most Si, Mg, Fe, significant part of O & C
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                               Extremely Dilute Gaz

~1 atom/cm3         Total mass ~1010 Msun ~ 1/10 MMilkyWay

  Several phases (10-3 -10+5 cm-3)
 Atomic         10-100 cm-3 ~MT/2 UV(+visible) lines, radio, 21cm H line
 Molecular 103-105 cm-3 ~MT/2 Millimeter-radio (+γ)
 Ionized warm ~0.1 cm-3 large volume visible, radio
 Ionized hot(coronal) 10-3–10- 3cm-3 most of the volume +halo Xrays

 Rough pressure equilibrium nxT ~ constant
     (except dense molecular clouds)
Infrarouge (poussières transparentes)     Visible poussières opaques  zones proches
    Forme exacte     Etoiles géantes rouges

Rayons gamma
Nuages moléculaires + rayons cosmiques         Notre Galaxie La Voie Lactée
                                                          Galaxies semblables

Millimétrique Planck
Poussière + hydrogène atomique
Images brutes du ciel dans les 9 bandes de fréquence de Planck
M51               M 100        M 33   Galaxies
                                      Spirales
                                            M 81

                                            M 33

  Andromède

              Andromède M 31

Andromède
Antennes                         Galaxies en interaction

                                             M 82

                       Naine du Sagittaire
Naine du Grand Chien
Cygnus A
    Radiogalaxie géante Fornax
                                 Radiogalaxies géantes
                                 Trou noir > 1 milliard M-soleil
                                 Jets > 500 000 années-lumière
                                 Energie du jet proche de MTNc²
                                 Embrase tout le halo galactique
                                 Physique difficile : rotation TN
                                 + MHD ultra-relativiste

 Fornax A                                          Centaurus A
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                             Atomic Interstellar Gas

Normal ‘diffuse’ interstellar gas: ~10-100 cm-3 ~10-100 K
 Discovery of the interstellar gas about a century ago through
visible absorption lines of Na, Ca+, etc. (plus dust continnuum absorption)

 Mostly studied through 21cm (1.42GHz) radio line of H (since 1950s)
    Milky Way and all galaxies  SKA huge project

 Detailed studies with UV lines (1970s-1990s): H, atoms, H2, CO…

 Molecules CN, CH+ etc. visible 1940
  Many molecules mm/submm (Herschel Space Observatory 2010)
   ALMA 2013-
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                             Atomic Interstellar Gas
                                 Interesting physics

 21cm radio line of H (since 1950s)
    Hyperfine excitation of the 21cm levels is still a problem  diagnostic
      Spin exchange collisions; Lyman-alpha absorption…
 Dust continnuum absorption
   Composition; size; polarization; processing

 Detailed studies with UV lines (1970s-1990s): H2, CO, etc.
    UV molecular lines hardly disentangled

 Molecules (UV, visible) mm/submm (Herschel Space Observatory)
   - Interstellar chemistry of diffuse clouds still lively
     Cosmic rays, UV, ionic and radical reactions
   - CH+ overabundance has been a problem for 50yr – turbulence heating
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                             Atomic Interstellar Gas
    Normal ‘diffuse’ interstellar gas: ~10-100 cm-3
     Discovery of the interstellar gas about a century ago through
    visible absorption lines of Na, Ca+, etc. (plus dust continnuum absorption)
     Mostly studied through 21cm radio line of H (since 1950s)
     Detailed studies with UV lines (1970s-1990s): H, atoms, H2, CO, etc.
     Molecules CN, CH+ etc. visible, mm/submm (Herschel)

                                   Open questions
     Dust: composition; formation/destruction; polarization
     Diffuse Interstellar Bands (DIBs)
     Anomalous radio emission (~30 GHz)
     Physics of pre-planetary circumstellar disks
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                                Molecular Dense Gas

   10+3 -10+5 cm-3                   100K) mostly H (+He)
                             10-30 K (                         2

   Dust (+self-)shielded from UV but Cosmic Rays penetrate
   (Giant) Molecular Clouds ~self-gravitating  star formation
   Millimeter-radio observations
     CO (+ isotopologues 13CO, C18O) best but difficult tracer of H2
     Density (HCN), temperature tracers, etc.
     ~200 interstellar molecules detected
      Interstellar Chemistry
   Not only various MW sources: dense clouds, photodissociation regions (UV),
    hot cores, molecular beams, pre-planetary disks, circumstellar shells
   But other galaxies: nearby or very distant (high redshift)
    Main target for ALMA (Chile, 2013-)
IRAM Plateau de Bure

                                    ALMA

                    ALMA image of
                    a strongly lensed
                    Submm galaxy
H2O at z=2-4
Omont et al. 2013
Molecular Dense Gas

                  Interstellar Chemistry
 Interstellar conditions have no equivalent in laboratory
 Many interstellar molecules are very exotic/unstable: ions,
 radicals, isomers: e.g. HCO+, C4H, HNC
  Very peculiar (cold) chemistry:
 Gas phase
  - dominated by ion and radical reactions
  - initiated by Cosmic Ray ionisation or photochemistry
 Grain processes may be very important, but difficult to
 model, need efficient desorption (UV, X, Shocks): ‘hot core’
 chemistry  H2O, CH3OH and derivatives

 Even H2 formation (on grain) is not fully understood
Molecular Dense Gas

                      Interstellar Chemistry 2

Models of interstellar chemistry have reached a high degree of
sophistication

Networks of chemical reactions and associated rate coefficients

 time evolution of molecular abundances and steady state

E.g. The final network of KIDA model of Wakelam et al. 2015
contains 489 species composed of 13 elements and 7509 reactions

Major problem with rate coefficients: laboratory measurements
at very low T, but expensive
 More and more theoretical modeling.
V. Wakelam
V. Wakelam 2010
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                            Ionized Interstellar Gas

 Ionized warm gas 0.1(103) cm-3 1000(-10000 K)
 - Electron recombination  atomic visible lines Hα      α diffuse emission
 - Radio emission: ‘thermal’ free-free or synchrotron in IS magetic field
 - Classical ionized nebulae around UV stars

 Ionized (coronal) hot gas ~10-3 cm-3 105-107 K
  - Supernova connected bubbles in Galactic disk (most of the volume)
  - Galactic (spherical) halo
   - X rays keV
   - + Forbidden lines OVI, etc.

 But also thread with filaments, fountains.. of colder (warm)
  neutral denser gas  far-IR IRAS  Planck images
Image de la
Nébuleuse RCW 49

On voit à l’intérieur
l’amas de jeunes
étoiles tout juste
formées, dont les
vents ont vidé de gaz
la cavité centrale où
se trouve l’amas
RCW 38                  Nébuleuses et formation stellaire
Rayons X

HST

      6000 ligh-years
‘Pilier Sud’
Nébuleuse de la Carène
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                        Interstellar Dust Grains
 Essential components of galaxies and star formation
 Typical size 0.1µm-10nm
 1% of the interstellar mass
 Refractory material in UV exposed medium (diffuse, atomic)
  Oxygen-rich: silicates (Mg, Fe, etc), oxids, etc
  Carbon rich: graphitic amorphous carbon (hydrogenated?)
 Plus volatile mantles: ice, organic material (UV processed), CO,
  etc. especially in UV shielded regions: molecular clouds
 Strongly absorbs UV + visible (even near-IR) radiation
 Optical depth τV ~ N(H)/2 1021 cm-2
 Extinction maps in MW. Galactic Center invisible except in IR
 Also scattered light  polarization, aligned grains along magnetic field
Interstellar Dust Grains 2

Coupling between dust gas and magnetic fields
Filamentary structure of the interstellar medium along
magnetic field lines (Herschel, Planck) connected with
polarization
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                         Interstellar Carbon Clusters
                 Carbonaceous particles PAHs fullerene, etc.

                   Polycyclic Aromatic Hydrocarbons PAHs
Prominent infrared bands (6-12µm) ubiquitous:
 MW: Photodissociation regions, diffuse clouds, dying stars, etc.
Major features in all spiral galaxies
Wavelengths typical of PAHs, but no individual PAH ever detected
Variations with charge state, hydrogenation, size
Need UV shining  internal conversion of energy in big molecules
Clearly a mixture of PAH particles; maybe clustered; Nc up to 100 and more;
maybe partially aliphatic bonds
Identified in 1980s. Prominent in IR spectra of ISO (1990s) and Spitzer (2000s)
Major interstellar component up to 10% of IS carbon
Example of infrared spectrum of distant starburst galaxies

Average of 16 sources Spitzer IRS spectrometer
PAH 6-12 µm (+H2) (Fiolet et al. 2010)

                                        PAH
                                        H2
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                              Interstellar Fullerene
C60 high symmetry (icosahedral) almost sperical
New allotropic very stable form of carbon
Discovered in 1985: serendipitous from astrophysical motivation (Kroto et al.)
Predicted for long to be present in interstellar medium
C60+ possibly identified in 1994 from 9600A diffuse identified bands
C60 definitely found in Spitzer infrared spectra of various sources

                                                                Observed spectrum
                                                                      C60 band
Fullerene formation from dehydrogenated PAHs
Berné, Montillaud & Joblin 2015

‘Smaller’ PAHs fully dehydrogenated by interstellar UV
Dehydrogenated PAH sheet unstable: deformations  cage

Fully simulated by powerful simulations

Such simulations are now much easier than experiments!
Exotic Physics of Interstellar Media (especially cold phases)

                              Open questions

      Dust: composition; formation/destruction; polarization
       Nucleation and growth in circumstellar shells and supernovas
       Destruction, shattering, desorption in shocks
       Details of aignment mechanism along magnetic field

      Diffuse Interstellar Bands (DIBs)

      Anomalous radio emission (~30 GHz)
       Rotating small grains or PAHs

      Physics of pre-planetary circumstellar disks
       Special properties of molecular gas in disks
       Dust coagulation and processing
First high-
resolution ALMA
image of a pre-
planetary disk
Diffuse Interstellar Bands (DIBs)
                           A 90 year old mystery

4000A                                                                       7000A
 In addition to easily identified atomic and molecular lines
 Several hundred broader bands ~0.1-1A in visible spectrum of stellar lines of
   sight (mostly 5500-6500A + extension in near-IR (since 1922!)
 Carriers believed to be carbonaceous particles ~10-100 atoms
 PAHs could be good candidates, but all identifications have failed
 Or carbon chains, but unstable against UV
 Or fullerenes (various sizes, ionization, hetero-atoms) but abundance seem too
   small? Very difficult laboratory spectroscopy. Practically inexistent for gas
   phase  first improve models
Diffuse Interstellar Bands (DIBs)
                        A 90 year old mystery

In addition to easily identified atomic and molecular lines

 Several hundred broader bands ~0.1-1A in visible spectrum of
  stellar lines of sight (mostly 5500-6500A + extension in near-IR
  (since 1922!)
 Carriers believed to be carbonaceous particles ~10-100 atoms
 PAHs could be good candidates, but all identifications have failed
 Or carbon chains, but unstable against UV
 Or fullerenes (various sizes, ionization, hetero-atoms) but
  abundance seem too small? Very difficult laboratory spectroscopy.
   Practically inexistent for gas phase  first improve models
Diffuse interstellar bands 2

DIBs are universal (all galaxies)

Carrier extremely stable

Good correlations:
- With atmic hydrogen density
- With dust absorption
- Between members of DIB ‘families’
 - But agreement that each strong DIB should have a different
carrier
Newly discovered near-IR DIB at 1.5µm
DIB correlation with
    α) and NH2 (µ)
NH (α
 DIB ‘families’
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