Laser Spectrometer for Stellar Astrophysics – LASSA

Ce projet a démarré avec une collaboration entre P. Crozet (LASIM) et J.F. Donati (LATT) dans la cadre du programme PNPS 2007. L'objet de cette investigation est de fournir des données de laboratoire pertinentes pour l'astrophysique stellaire, en particulier pour la spectropolarimetrie couplée à l'imagerie magnétique. Nous proposons d'explorer les propriétés électroniques des hydrures de métaux de transition (MH), et de mesurer la réponse magnétique de ces espèces par spectroscopie optique. Les molécules simples, particulièrement les oxydes et les hydrures, sont détectées dans les spectres des étoiles froides et dans les taches solaires. Puisque le champ magnétique affecte les raies spectrales moléculaires (effet Zeeman), elles permettent de sonder les atmosphères stellaires magnétisées. Dans les étoiles relativement froides (naines de type M),ou dans les taches stellaires, la spectroscopie atomique peut devenir inopérante, car les spectres moléculaires dominent. En prenant en compte les contraintes de longueur d'onde (fenêtre atmosphérique), de réponse magnétique et de sensibilité de détection, les MH émergent comme candidats les plus prometteurs pour sonder les environnements stellaires, particulièrement avec les instruments modernes comme ESPaDOns, dont la résolution permet d'analyser les structures Zeeman moléculaires. Les difficultés résident dans la nature électronique complexe des composés de métaux de transition. Les facteurs de Landé peuvent être extraits de l'analyse basée sur des Hamiltoniens effectifs, avec une formule de l'effet Zeeman décrite par le cas de couplage (a) de Hund proportionel à omega*(g_S*Sigma +g_L*Lambda)/[J(J+1)] Mais cette formule n'est pas valide pour les métaux de transitions ni pour les terres rares. En effet, Sigma (moment angulaire de spin) et Lambda (moment angulaire orbital) ce ne sont alors plus de 'bons nombres quantiques', d'où des facteurs de Landé g_S et g_L qui dévient de leurs valeurs attendues respectives 2.0023 et 1. Des difficultés supplémentaires proviennent du couplage des moments angulaires qui change aussi avec J, et avec le champ magnétique. Pour inverser les spectres Zeeman issus de sources astrophysiques, des facteurs de Landé fiables sont requis pour les niveaux quantiques sélectionnés. Les investigations en laboratoire doivent donc se concentrer sur les états électroniques observés dans les spectres stellaires, soit par l'étude directe des systèmes électroniques, soit en concevant des chemins indirects pour observer les états indépendamment. Les intensités des champs magnétiques de l'ordre de 300 mT régnant dans les taches solaires peuvent être reproduites en laboratoire, mais pas des températures > 3000K. Cela signifie que les distributions d'intensité enregistrées au laboratoire différeront de façon significative de celles des spectres stellaires ; mais en travaillant sur les ailes des distributions, les niveaux d'énergie moléculaires peuvent être clairement caractérisés. Les conditions pour ce faire sont (1) de produire les radicaux (intrinsèquement instables) en quantités appréciables ; (2) de les étudier à une résolution suffisante pour résoudre les structures Zeeman; (3) de produire un modèle à même d'interpréter les résultats. Bien que les méthodes et expériences que nous proposons peuvent être -et seront- appliquées immédiatement à d'autres systèmes, les monohydrures de fer et de nickel sont les premières cibles visées. Les expériences Zeeman projetées requièrent de faire interagir un faisceau laser et une source moléculaire dans un champ magnétique fort et uniforme. Un prototype construit au LASIM (bobine excitatrice de 2000 spires, acceptant des courants jusqu'à 2 ampères) génère déjà un champ de 140 mT. Un triplement de cette valeur suffira à couvrir les champs magnétiques de types stellaires que nous voulons reproduire. La source laser requise pour sonder ces espèces (un laser Ti :Sa continu) représente la part la plus importante du financement de ce projet.