La poussière interstellaire froide : études expérimentales et modélisation – CIMMES

Ce projet repose sur une approche conjointe observationnelle, théorique et expérimentale. Deux axes principaux structurent le projet : le premier, basé sur les observations astronomiques et la modélisation implique l’IAS et l’IRAP; le second, basé sur les travaux expérimentaux et théoriques, implique l’IRAP, le LPCNO et l’UMET.
Nous avons développé des outils de modélisations (DustEM, DustEV, DustPROP, modèle TLS) en parallèle au dispositif expérimental (ESPOIRS, basé à l’IRAP, Etudes Spectroscopiques des Proprie´te´s Optiques InfraRouge et Submillime´trique d’analogues de grains interstellaires), ainsi que des collaborations fructueuses avec des chimistes et physiciens nationaux et internationaux.

Au sein de cette collaboration interdisciplinaire entre astrophysiciens, chimistes, physiciens et minéralogistes, nous allons synthétiser des analogues de la poussière interstellaire (silicates, matière carbonée, glaces) et caractériser leurs propriétés spectroscopiques dans le domaine du FIR/Submm à basse température. Les propriétés physico-chimiques de la poussière interstellaire et les processus et/ou conditions locales qui les gouvernent seront contraints par l’interprétation des observations Herschel et Planck issues de programmes dans lesquels l’IRAP et l’IAS sont impliqués. L’interprétation des données sera effectuée à l’aide des modèles développés au sein de notre collaboration.

Le projet débute avec l’étude d’analogues de grains interstellaires riches en fer. Les premiers résultats spectroscopiques ont été obtenus lors d’une campagne de mesures sur la ligne AILES du Synchrotron SOLEIL en juin 2012. Ils sont en cours d’analyse et doivent être complétés par des mesures sur le dispositif ESPOIRS à l’IRAP. Les caractérisations de ces analogues ont été effectuées au LPCNO et à l’UMET (analyse MET, XRD, RAMAN). Ces études permettent de contrôler la qualité des matériaux synthétiser et d’en donner une description complémentaire de la spectroscopie IR.
Parallèlement, le travail de modélisation de l’évolution de la poussière interstellaire au sein du cycle du milieu interstellaire est en cours.

Poursuivre le travail expérimental sur d’autres types d’analogues de la poussière ainsi que le travail de modélisation de l’évolution de la poussière.

Aucune à l’heure actuelle.

Le projet CIMMES a pour but d’étudier l’évolution de la matière cosmique froide dans le contexte de l’étude de la matière interstellaire dans le domaine de longueur d’onde infrarouge lointain et submillimétrique (FIR/submm).
Les observations dans la gamme FIR/submm tracent la poussière froide, nous permettant ainsi de détecter les nuages pré-stellaires avant leur effondrement, et donc d'étudier les premières étapes de formation des étoiles ainsi que d'estimer la masse de poussière dans les nuages interstellaires. Une bonne connaissance des propriétés physiques, chimiques et optiques de la poussière, ainsi que de son émission thermique est donc nécessaire pour une bonne interprétation des données de l’observation. L'émission de la poussière froide dans le milieu interstellaire (MIS) s’exprime habituellement comme une loi de puissance du type (?/?0)-ß où ß est l’indice spectral d’émissivité et ? la longueur d’onde. Selon les modèles simples semi-classiques de l'absorption, dans le FIR/submm, l’indice spectral ß a une valeur asymptotique ß = 2 indépendante de la température, valeur couramment utilisée dans les études astrophysiques. Avant le lancement de la satellites Herschel et Planck, certaines observations ont montré que l’émission FIR/submm de la poussière n’est facile à interpréter. Les principales énigmes observationnelles sont l'excès d’émission submillimétrique observée par l’instrument FIRAS à bord du satellite COBE (Cosmic Background Explorer) et l’ anti-corrélation ß(T) entre l'indice spectral ß et la température T de la poussière, anticorrélation déduite des observations des missions ballon PRONAOS et ARCHEOPS. Les premiers résultats des missions Herschel et Planck confirment ces variations d'émissivité de la poussière et indiquent qu'elles sont omniprésentes. Ils illustrent la richesse des informations disponibles dans ces observations pour l'étude de la poussière et du MIS dans notre Galaxie et dans les galaxies externes. Toutefois, ils soulignent également le manque criant de données de laboratoire sur les analogues de la poussière cosmique, pourtant nécessaires pour interpréter les observations et modéliser l’émission FIR de la poussière. Pendant ces 15 dernières années, seules quelques études de laboratoire ont été dédiées à la plage spectrale FIR/submm et à l’effet de la température. Par conséquent les propriétés optiques de la poussière à ces longueurs d'onde sont souvent extrapolées à partir de celles mesurées à plus courtes longueurs d'onde, et elles ne sont presque certainement pas valides.
Dans ce contexte, nous avons mis au point une approche à la fois observationnelle, théorique et expérimentale visant à étudier l'évolution de la poussière froide dans le MIS. Le projet CIMMES rassemble des instituts d’astrophysique (IRAP et IAS) ayant l'expertise dans l'interprétation des données de l’observation et dans l'astrophysique de laboratoire (à travers le dispositif expérimental ESPOIRS basé à l’IRAP) et des instituts de chimie et de physique (LPCNO et UMET) ayant l'expertise dans la synthèse et la caractérisation de nanograins et de la matière extraterrestre.
Dans cette collaboration interdisciplinaire entre astrophysiciens, chimistes et minéralogistes, véritable cœur de ce projet, nous allons synthétiser des analogues de poussières (silicates, poussière carbonée et glaces) et caractériser leurs propriétés optiques dans le domaine FIR/ submm à basse température. Les propriétés physico-chimiques de la poussière cosmique et les processus/conditions locales qui déterminent ces propriétés seront contraintes par l'interprétation des observations Herschel et Planck dans les programmes dédiés, programmes où l’IRAP et l’IAS sont impliqués. L'interprétation des données utilisera les modèles développés au sein de notre équipe. Cela comprend un nouveau modèle physique de l’émission FIR/submm et des modèles concernant les propriétés des poussières et leur évolution.