Blanc SIMI 5 - Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie

Structure du Milieu Interstellaire Local par Inversion – STILISM

STILISM

Structure du Milieu Interstellaire Local par Inversion

Constuire une carte réaliste de la distribution 3D du milieu interstellaire local

Nous proposons une reconstitution en trois dimensions, réaliste et détaillée de la matière interstellaire (MIS) au voisinage du soleil, dans un kiloparsec-cube environ. Cette distribution de gaz et poussières, basée sur l’inversion de mesures limitées en distance et leur combinaison avec les mesures intégrées des cartes 2D, serait un nouvel outil utile à l’analyse de diverses observations astronomiques et pourrait être intégrée dans les modèles Galactiques à plus grande échelle de gaz, poussières et champ de radiation qui manquent de positionnement précis des nuages au voisinage du Soleil. <br />Cette distribution 3D du MIS représenterait une étape préparatoire vers la carte galactique 3D complète qui sera rendue possible grâce à la mission Gaia de l'ESA et ses relevés sol complémentaires. Une carte 3D détaillée du MIS augmentera fortement le retour scientifique de Gaia en fournissant les histoires combinées des étoiles et du MIS et est par ailleurs indispensable pour briser les dégénérescences température-rougissement dans le cas des objets faibles et distants. Le travail que nous proposons permettrait de développer et tester de nouvelles méthodes d'analyse spectrale, de techniques d'inversion et de combinaison de données 3D et 2D qui seraient directement applicables aux cartographies futures à plus grande échelle. Il bénéficierait opportunément des nouvelles mesures du relevé spectroscopique Gaia-ESO et du projet ESO-AMBRE, en complément d'autres archives.

Les ensembles de mesures d'absorption, omni-directionelles et vers des étoiles distribuées en distance permettent de remonter à la distribution tri-dimensionelle de la matière interstellaire produisant l'absorption.
Des bases de données peuvent être inversées avec des méthodes de type Bayésien, et permettent d'obtenir des cartes 3D dont la résolution va dépendre de la distribution des étoiles cibles.

Une mise à disposition de cartes 3D nouvellement calculées existe avec des outils de navigation sur le site du projet. stilism.obspm.fr . Les cartes ont été largement étendues et sont plus détaillées. Plusieurs articles décrivent les cartes, le repérage de structures particulières ou connues. Le bras Galactique Local ou bras d'Orion apparaît très différent des schémas existant. D'autres articles décrivent les techniques nouvelles permettant d’acquérir mesures d’absorption et d’extinction. D’autres enfin décrivent des résultats parallèles : tomographie à l’aide des bandes diffuses de nuages opaques locaux ou, de façon opposée, de galaxies extérieures, hiérarchisation des DIBs en fonction des phases du MIS et du champ de rayonnement, relations nouvellement établies sur les émissions multi - longueurs d’onde des diverses phases.
Du point de vue technique, de nombreux outils ont été développés pour extraire raies et bandes d'absorption de tous types d'observations. Les codes d'inversion ont été adaptés et offrent de nouvelles possibilités.
La synergie mise en place entre la spectrophotométrie-photométrie stellaire et l'étude du milieu interstellaire a parfaitement fonctionné. Les cartes ont été utilisées pour sélectionner des étoiles non rougies qui sont ensuite rentrées dans la calibration de la bande G de Gaia. En retour, les nouvelles lois de calibration ont permis d'extraire de nouvelles mesures distance-rougissement pour alimenter des cartes plus précises et étendues. Le processus pourra être itéré.

Une grande partie des objectifs initiaux de STILISM, en particulier l’amélioration des cartes, des bases sous-jacentes et des outils d’inversion, a été réalisée. Le passage à l’assimilation 2D-3D a été retardé et sera réalisé plus tard à l’aide des données en absorption accumulées pendant le projet, grâce à l’utilisation des cubes spectraux radio CO et des absorbants des phases denses, surtout le potassium neutre KI. En revanche, le projet a contribué au développement d’études et résultats nouveaux sur les liens entre les observables des phases gazeuses et les propriétés d’émission et d’absorption des grains. Indépendamment de leur utilité pour la caractérisation des avant-plans au CMB, ces lois pourront être exploitées au futur pour des études combinées émission-absorption en 3D. Par ailleurs, des développement inattendus ont été réalisés sur l’utilisation des bandes interstellaires diffuses.
Le projet se termine donc avec des résultats et outils nouveaux et dans un contexte de plus en plus animé. En effet, l’intérêt pour la tomographie 3D n’a cessé de croître ces dernières années, comme nous l’avions prévu dès le début des propositions (le projet a été accepté à la quatrième tentative). Plusieurs équipes travaillent à partir de différentes sources d’absorption et attendent les catalogues Gaia. On doit s’attendre à de nombreux progrès. De notre côté, nous avons une base de données cinématiques non encore exploitée et des outils spectroscopiques et d’inversion que nous tenterons d’utiliser au mieux pour apporter une contribution originale aux cartes qui ne cesseront de s ‘améliorer.

30 articles dans revues avec referee ont été publiés (+1 en revue) dont 22 mono et 9 multi-partenaires. Deux colloques internationaux ont été organisés sur le sujet (un en principal organisateur, le second on co-organisateur). Plusieurs catalogues issus des analyses ont été publiés.
Quelques-uns des principaux titres des publications sont:

#3D maps of interstellar dust in the Local Arm: using Gaia, 2MASS and APOGEE-DR14: Lallement R., L. Capitanio, L. Ruiz-Dern, C. Danielski, C. Babusiaux, J.L. Vergely, M. Elyajouri, F. Arenou, N. Leclerc, soumis à A&A (cartes 3D disponibles sur site stilism.obspm.fr)
#Cosmic-rays, gas, and dust in nearby anticentre clouds : III – Dust extinction, émission and grain properties: Remy Q., I.A. Grenier, D.J. Marshall, J.M. Casandjian, A, A&A, sous presse (2018)
#Empirical photometric calibration of the Gaia Red Clump: colours, effective temperature and absolute magnitude: Ruiz-Dern, L.; Babusiaux, C.; Arenou, F.; Turon, C.; Lallement, R.A&A, 609,IdA116, (2017)
#Three-dimensional mapping of the local interstellar medium with composite data: Capitanio L.; Lallement R.; Vergely J. L.; Elyajouri M.; Monreal-Ibero A., A&A, 606,65 (2017)
#The 15 273 Å diffuse interstellar band in the dark cloud Barnard 68: ElYajouri M., Cox, N.L.J., Lallement R., A&A, 605L, 10 (2017)
# On the distance to the North Polar Spur and the local CO-H2 factor: Lallement R., Snowden, S.; Kuntz, K. D.; Dame, T. M.; Koutroumpa, D.; Grenier, I.; Casandjian, J. M.: A&A, 595, 131 (2016)
# Near-infrared diffuse interstellar bands in APOGEE telluric standard star spectra . Weak bands and comparisons with optical counterparts: ElYajouri M., Monreal-Ibero A., Remy Q., Lallement R., , ApJS, 225, 19 (2016)
#The Gaia-ESO Survey: Extracting diffuse interstellar bands from cool star spectra. DIB-based interstellar medium line-of-sight structures at the kpc scale: Puspitarini L., Lallement R., Babusiaux, C.; +6, Monreal-Ibero, A.;+18, A&A, 573, 35, (2015)

Nous proposons une reconstitution en trois dimensions, réaliste et détaillée de la matière interstellaire (MIS) au voisinage du soleil, dans un kiloparsec-cube environ. Cette distribution de gaz et poussières, basée sur l’inversion de mesures limitées en distance et leur combinaison avec les mesures intégrées des cartes 2D, serait un nouvel outil utile à l’analyse de diverses observations astronomiques et pourrait être intégrée dans les modèles Galactiques à plus grande échelle de gaz, poussières et champ de radiation qui manquent de positionnement précis des nuages au voisinage du Soleil.
Cette distribution 3D du MIS représenterait une étape préparatoire vers la carte galactique 3D complète qui sera rendue possible grâce à la mission Gaia de l'ESA et ses relevés sol complémentaires. Une carte 3D détaillée du MIS augmentera fortement le retour scientifique de Gaia en fournissant les histoires combinées des étoiles et du MIS et est par ailleurs indispensable pour briser les dégénérescences température-rougissement dans le cas des objets faibles et distants. Le travail que nous proposons permettrait de développer et tester de nouvelles méthodes d'analyse spectrale, de techniques d'inversion et de combinaison de données 3D et 2D qui seraient directement applicables aux cartographies futures à plus grande échelle. Il bénéficierait opportunément des nouvelles mesures du relevé spectroscopique Gaia-ESO et du projet ESO-OCA AMBRE, en complément d'autres archives.
Notre approche proposée combine pour la première fois plusieurs sortes de diagnostics: i) raies d’absorption du gaz, ii) bandes interstellaires diffuses, corrélées avec gaz et/ou poussières et iii) excès de couleurs imprimés par la matière interstellaire sur les spectres stellaires, iv) « cubes Doppler » des relevés d’émission radio à très haute résolution et grande couverture, v) colonnes totales de gaz telles que tracées par l'émission gamma et incluant toutes le sphases, y compris la phase "sombre" de l'interface atomique-moléculaire vi) colonnes totales de poussières telles que tracées par les émissions sub-mm à infra-rouge (IR).
Les trois premiers diagnostics ont l’avantage unique de fournir l’information sur la distance à la matière absorbante, et ces trois jeux de données seraient inversés séparément et simultanément pour produire sa localisation. Le 4ème n' a pas d’information sur la distance mais fournit une énorme information sur la distribution angulaire et la cinématique du gaz. Nous proposons un lourd investissement dans l'identification croisée des structures Doppler et angulaires dans les cartes radio d'une part, avec respectivement les raies d'absorption et les nuages inversés d'autre part. Finalement, les distributions résultantes seraient calibrées en utilisant les cartes de composition de phases issues de Planck, Fermi et des relevés IR, en incluant la phase "sombre" non détectée en radio.
Obtenir un accord entre les cartes d’émission et une distribution de gaz et poussières est un but nouveau, et pour l’atteindre l’équipe proposante associe des spécialistes des émissions interstellaires multi-longueur d'ondes, de spectroscopie interstellaire, et des corrélations croisées entre traceurs du MIS. L’équipe inclut des experts en méthodes d'inversion ayant une forte expérience et ayant déjà initié le développement d’une carte 3D du voisinage solaire, et d'autres ayant déjà étudié la cinématique de nuages locaux. Finalement, l’équipe inclut des membres du consortium Gaia et du relevé Gaia-ESO dont l’expertise en spectroscopie stellaire, photométrie stellaire et extinction ainsi que populations stellaires galactiques seront précieuses pour la préparation des outils MIS pour Gaia.

Coordinateur du projet

Madame Rosine LALLEMENT (Galaxies Etoiles Physique et Instrumentation) – rosine.lallement@obspm.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ACRI-ST ACRI-ST
CEA/IRFU/(AIM) Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
GEPI Galaxies Etoiles Physique et Instrumentation

Aide de l'ANR 452 580 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2012 - 48 Mois

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