Le cycle de la matière galactique : Les phases précoces de la formation stellaire. Université ouverte

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1 Le cycle de la matière galactique : Les phases précoces de la formation stellaire Université ouverte Julien Montillaud 25 Janvier

2 Le cycle de la matière galactique : Les phases précoces de la formation stellaire 20 Janvier Le cycle de la matière galactique 25 Janvier Le cycle de la matière galactique : Les phases précoces de la formation stellaire 1 Février Le cycle de la matière galactique : L'apparition de la complexité moléculaire 2

3 Plan I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique II. Repères physiques et historiques III. Scénario des étapes précoces IV. Voir dans un cœur froid V. Questions chaudes 3

4 I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique I.1 La matière galactique Milieu interstellaire : - gaz (H, H2, He, ) - poussière Étoiles 4 M51 by Hubble

5 I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique I.2 Le cycle de la matière galactique Nuages diffus Nuages denses Nébuleuses planétaires Vestiges Supernovae Protoétoiles (+disque protoplanétaire) Étoiles Étoiles massives5

6 I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique I.2 Le cycle de la matière galactique Nuages denses Nuages diffus Dynamique Protoétoiles (+disque protoplanétaire) Instabilité gravitationnelle Allumage fusion H Dynamique Étoiles Nébuleuses planétaires Épuisement du combustible nucléaire Perte de masse Vestiges Supernovae Étoiles massives6

7 I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique I.2 Le cycle de la matière galactique Nuages denses Nuages diffus Dynamique Protoétoiles (+disque protoplanétaire) Instabilité gravitationnelle Allumage fusion H Dynamique Étoiles Nébuleuses planétaires Épuisement du combustible nucléaire Perte de masse Vestiges Supernovae Étoiles massives7

8 Plan I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique II. Repères physiques et historiques III. Scénario des étapes précoces IV. Voir dans un cœur froid V. Questions chaudes 8

9 Plan I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique II. Repères physiques et historiques II.1 Gravité II.2 Turbulence II.3 Magnétisme III. Scénario des étapes précoces IV. Voir dans un cœur froid V. Questions chaudes 9

10 II. Repères physiques et historiques II.1 Gravité : Jeans,

11 II. Repères physiques et historiques II.1 Gravité : Jeans, 1902 INGRÉDIENTS Démarche : étude de la stabilité à une perturbation d'un gaz uniforme autogravitant Conservation de la matière : Conservation de la quantité de mouvement : RÉSUlTATS Autogravité : Équation d'onde : 11

12 II. Repères physiques et historiques II.1 Gravité : Jeans, 1902 Équation d'onde : PROPAGATION DU SON AUTOGRAVITÉ Équation de dispersion : Connaissant la longueur d'onde ( k) et la densité ( 0), que vaut la fréquence (f= )? pas de réponse si 0 trop élevée! densité critique pas de réponse si trop grande! taille critique masse critique 12

13 II. Repères physiques et historiques II.1 Gravité : Jeans, 1902 Équation d'onde : PROPAGATION DU SON AUTOGRAVITÉ Équation de dispersion : Connaissant la longueur d'onde ( k) et la densité ( 0), que vaut la fréquence (f= )? pas de réponse si 0 trop élevée! densité critique pas de réponse si trop grande! taille critique masse critique Interaction gravité / pression thermique 13

14 II. Repères physiques et historiques II.1 Gravité : Bonnor-Ebert Sphère isotherme et hydrostatique 14

15 Plan I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique II. Repères physiques et historiques II.1 Gravité II.2 Turbulence II.3 Magnétisme III. Scénario des étapes précoces IV. Voir dans un cœur froid V. Questions chaudes 16

16 II. Repères physiques et historiques II.2 Turbulence von Weizsäcker & Chandrasekhar (1943, 1951) MICROTURBULENCE : agitation à petite échelle support supplémentaire cs2 cs2 + turb2 LJ plus grand plus grande stabilité Interaction gravité / {pression thermique + microturbulence} Années 1990 TURBULENCE : agitation à toutes échelles rôle ambigu 17

17 II. Repères physiques et historiques II.2 Turbulence TURBULENCE : Pour un point, principe d'inertie : Pour un fluide, équation de Navier-Stokes : Turbulence ~ inertie Viscosité Inertie = Viscosité = nombre de Reynolds 18

18 II. Repères physiques et historiques II.2 Turbulence TURBULENCE : Exemple : fumée de cigarette Écoulement Turbulent instabilité Écoulement Laminaire 19

19 II. Repères physiques et historiques II.2 Turbulence TURBULENCE : Exemple : Polaris flare vu par Herschel (FIR) <150 pc ~3 de ~8p g c 20

20 II. Repères physiques et historiques II.2 Turbulence TURBULENCE : ~3 de ~8p g c 21

21 TURBULENCE : Puissance II. Repères physiques et historiques II.2 Turbulence Grandes échelles Petites échelles k = 2 /l ~3 de ~8p g c 22

22 TURBULENCE : Puissance II. Repères physiques et historiques II.2 Turbulence Injection d'énergie à grande échelle cascade Dissipation d'énergie à petite échelle k = 2 /l ~3 de ~8p g c 23

23 II. Repères physiques et historiques II.2 Turbulence TURBULENCE : Miville-Deschênes et al Injection non visible cascade Dissipation non visible ~8 pc ~0,01 pc ~3 de ~8p g c 24

24 Plan I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique II. Repères physiques et historiques II.1 Gravité II.2 Turbulence II.3 Magnétisme III. Scénario des étapes précoces IV. Voir dans un cœur froid V. Questions chaudes 25

25 II. Repères physiques et historiques II.3 Magnétisme Mestel & Spitzer (1956) MAGNÉTISME : Gaz partiellement ionisé influence du champ magnétique (B) support additionnel Interaction gravité / {pression thermique + microturbulence + magnétisme} 26

26 II. Repères physiques et historiques II.3 Magnétisme Attention : je ne dis pas que le nuage se comporte comme un aimant!!! Lignes de champ magnétique B68 27

27 II. Repères physiques et historiques II.3 Magnétisme Force de Lorentz : Confinement des particules chargées Gel des lignes de champ dans le plasma Pression magnétique Le champ B résiste à la compression 28

28 II. Repères physiques et historiques II.3 Magnétisme DIFFUSION AMBIPOLAIRE t1 B friction B - Neutres = mobiles Charges = fixes G t

29 II. Repères physiques et historiques II.3 Magnétisme Neutres = mobiles Charges = moins mobiles Friction et entrainement des lignes de B + B t B G t

30 II. Repères physiques et historiques II.3 Magnétisme Voir animations de la page - Li et al : Li14_apj500057f2_video1.mp4 - Krasnopolsky et al : f455_sli_psi75_max13_min17_bg-k_cti_500au.mp4 31

31 Plan I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique II. Repères physiques et historiques III. Scénario des étapes précoces IV. Voir dans un cœur froid V. Questions chaudes 1

32 III. Scénario des étapes précoces de la formation stellaire III.1 Cascade turbulente Puissance Échelle galactique Injection d'énergie à grande échelle 2 k = 2 /l

33 III. Scénario des étapes précoces de la formation stellaire III.1 Cascade turbulente Puissance Nuages moléculaires géants cascade 3 k = 2 /l

34 III. Scénario des étapes précoces de la formation stellaire III.1 Cascade turbulente Puissance Nuage moléculaire (échelle des clumps ) cascade 4 k = 2 /l

35 III. Scénario des étapes précoces de la formation stellaire III.1 Cascade turbulente Puissance Cœur froid (échelle des cores ) cascade Dissipation d'énergie à petite échelle 5 k = 2 /l

36 III. Scénario des étapes précoces de la formation stellaire III.1 Cascade turbulente Cœur froid (échelle des cores ) Puissance Dissipation par diffusion ambipolaire (?) cascade Dissipation d'énergie à petite échelle 6 k = 2 /l

37 III. Scénario des étapes précoces de la formation stellaire III.2 Et après? Et après? 7

38 III. Scénario des étapes précoces de la formation stellaire III.2 Et après? Coeur froid Classe II Classe 0 Classe III Classe I Séquence pr. 8

39 Plan I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique II. Repères physiques et historiques III. Scénario des étapes précoces IV. Voir dans un cœur froid V. Questions chaudes 9

40 IV. Voir dans un cœur froid IV.1 Principales observables Domaine optique (UV, visible, IR proche) : Extinction interstellaire de la lumière des étoiles (poussière + gaz) Emission IR moyen et lointain : Poussière interstellaire Emission moléculaire : CO, HCO, CN, CS... CO2, H2O, NH3,... 10

41 IV. Voir dans un cœur froid IV.2 Dans le visible Domaine optique (UV, visible, IR proche) : Extinction interstellaire de la lumière des étoiles (poussière + gaz) 11

42 IV. Voir dans un cœur froid IV.2 Dans le visible Domaine optique (UV, visible, IR proche) : Extinction interstellaire de la lumière des étoiles (poussière + gaz) 12

43 IV. Voir dans un cœur froid IV.3 Dans l'infra-rouge Emission IR moyen et lointain : Poussière interstellaire 13

44 IV. Voir dans un cœur froid IV.3 Dans l'infra-rouge 14

45 IV. Voir dans un cœur froid IV.3 Dans l'infra-rouge Emission IR moyen et lointain : Poussière interstellaire 15

46 IV. Voir dans un cœur froid IV.3 Dans l'infra-rouge Emission IR moyen et lointain : Poussière interstellaire Diagnostic d'effondrement par comparaison aux masses de Jeans ou Bonnor-Ebert 16

47 IV. Voir dans un cœur froid IV.4 Avec les micro-ondes Emission moléculaire : CO, HCO, CN, CS... CO2, H2O, NH3,... Diagnostic d'effondrement par comparaison aux masses de Jeans ou Bonnor-Ebert + µturbulence 17

48 IV. Voir dans un cœur froid IV.4 Avec les micro-ondes VOIR G DS9 Emission moléculaire : CO, HCO, CN, CS... CO2, H2O, NH3,... Diagnostic d'effondrement par comparaison aux masses de Jeans ou Bonnor-Ebert + µturbulence 18

49 IV. Voir dans un cœur froid IV.4 Avec les micro-ondes Diagnostic cinématique 19

50 Plan I. Les grandes étapes du cycle de la matière galactique II. Repères physiques et historiques III. Scénario des étapes précoces IV. Voir dans un cœur froid V. Questions chaudes 20

51 V. Questions «chaudes» V.1 Striations et champ magnétiques Striations : voir DS9 pour G Texture = ligne du champ B 21

52 V. Questions «chaudes» V.2 Le rôle de l'environnement Activité croissante 22

53 V. Questions «chaudes» V.2 Le rôle de l'environnement Activité croissante 23

54 V. Questions «chaudes» V.2 Le rôle de l'environnement Gaia Herschel 24

55 V. Questions «chaudes» V.3 Vers les très grandes échelles Voir simulation cosmologique Hopkins 25