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 IAP : CNRS et Université Pierre et Marie Curie omont@iap.fr
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
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
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
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.
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
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
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
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)
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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