Evolution physico-chimique et dynamique des milieux inter et circum-stellaires

Document rédigé dans le cadre de la prospective 2003 de l'astronomie organisée par l'INSU

La découverte des nuages moléculaires a fait naître une communauté interdisciplinaire réunissant astrophysiciens, physiciens et chimistes qui ensemble travaillent à l'évolution des milieux dilués et froids présents dans l'espace. Ces travaux ont une dynamique propre animée par l'exploration de la chimie interstellaire: l'originalité des processus et des espèces, sa diversité et sa richesse encore largement inexplorées avec en perspective la recherche d'une possible contribution interstellaire à la chimie du vivant. Ils sont aussi reliés à plusieurs des grandes questions de l'astrophysique: la formation et l'évolution des galaxies et la formation des étoiles et des planètes. L'approche interdisciplinaire de ces questions est essentielle. Ce sont des travaux interdisciplinaires qui fondent les identifications spectroscopiques des constituants de la matière, les diagnostics des conditions physiques et notre compréhension des processus physico-chimiques dans l'espace. C'est aussi à travers des échanges interdisciplinaires que l'on peut espérer comprendre l'évolution physico-chimique et dynamique de la matière froide dans le milieu interstellaire et les enveloppes circumstellaires mais aussi le gaz primordial.

Les échanges interdisciplinaires doivent être renforcés suivant deux axes. (1) Avec les physico-chimistes et spectroscopistes pour obtenir les connaissances physico-chimiques (spectroscopie, excitation, réactivité chimique pour les molécules et poussières interstellaires) qui serviront à l'interprétation des observations. Les chimistes théoriciens participent activement à ces recherches grâce aux développement de nouveaux outils numériques comme la méthode DFT (Density Function Theory). (2) Avec des physiciens pour comprendre l'évolution dynamique de la matière résultant des couplages entre processus et échelles spatiales et temporelles.

La préparation scientifique de Herschel et ALMA ouvre de nouvelles perspectives aux collaborations existantes sur les propriétés microscopiques de la matière, la réactivité chimique à basse température, les collisions et l'interaction matière-rayonnement. La majorité des espèces détectées à ce jour est constituée de radicaux et d'ions moléculaires particulièrement instables dans les conditions des laboratoires "terrestres" et l'interprétation de leur spectre astrophysique a requis la coopération des astrophysiciens avec les spectroscopistes, particulièrement du domaine micro-ondes, de laboratoire ainsi que les chimistes théoriciens. L'élargissement du domaine électromagnétique vers le sub-millimétrique avec Herschel et le gain en sensibilité et résolution angulaire d'ALMA vont nous donner accès à des espèces nouvelles, comme les hydrures métalliques mais peut-être aussi à des molécules organiques complexes, et nous permettre de sonder des états moléculaires rotationnellement, voire vibrationnellement excités encore peu étudiées pour les espèces instables. Un travail théorique est également nécessaire pour réunir les données nécessaires au calcul d'excitation de molécules comme H₂O qui seront de précieux diagnostics des conditions physiques.

Un fort couplage entre les observations et études expérimentales et théoriques est également nécessaire pour l'étude des grains et des glaces. Le programme National a engagé plusieurs projets expérimentaux destinés à reproduire au laboratoire des analogues des poussières interstellaires qui servent à caractériser les grains. Cet effort doit être associé aux analyses d'échantillons extra-terrestres porteurs de grains interstellaires. Les avancées attendues dans les observations des poussières doivent déboucher sur une compréhension de l’évolution physico-chimique des grains et des processus à leur surface. Pour cela de nouveaux projets expérimentaux permettant d’étudier les processus contribuant à la synthèse et l’évolution des grains dans l’espace et à la chimie à leur surface doivent être engagés.

Les observations montrent qu’une fraction importante des poussières sont des nano-particules carbonées d’au plus quelques milliers d’atomes. La nature précise de ces particules, leur origine et leur lien avec les bandes diffuses restent encore à être élucidés. Elles jouent certainement un rôle important dans l'évolution physico-chimique de la matière, les échanges d'énergie et peut-être le couplage de la matière avec le champ magnétique. Ce domaine constitue une nouvelle discipline frontière où les astrophysiciens doivent tisser des liens avec les physiciens moléculaires et physiciens du solide qui explorent les propriétés de la matière aux nano-échelles.

Le milieu interstellaire constitue un archétype des systèmes régis par des lois non-linéaires dont la complexité émerge par le biais d'un très grand nombre d'échelles (spatiales et temporelles) couplées entre elles. Ces couplages sont locaux comme les processus collisionnels et les réactions chimiques mais aussi non-locaux avec l'action de la gravité, du champ magnétique, du rayonnement et de la turbulence. La relative importance des couplages locaux et non-locaux a des conséquences importantes sur l'évolution de ces systèmes dans leur ensemble. L'émergence de structures dans le milieu interstellaire doit être abordée dans cette perspective. Les systèmes constitués d'un grand nombre d'éléments en interaction ont tendance a s'organiser en structures sur une vaste gamme d'échelles. L'intermittence spatio-temporelle: celle induite par exemple par la dissipation de la turbulence interstellaire, engendre des régions hors-équilibre. Bien que ces régions n'occupent qu'une très petite fraction de l'espace et aient des temps de vie courts, il existe en permanence une fraction du gaz observée dans ces états hors-équilibre. Ce gaz peut jouer un rôle déterminant dans l’évolution de la matière car il peut être le lieu de processus physico-chimiques inopérant a basse température. La portée pour l'Astrophysique de cette axe de recherche dépasse l'étude de la matière interstellaire et devrait devenir un thème fédérateur. L'astrophysique doit s'ouvrir à la communauté de la physique statistique, aux outils statistiques et théoriques développés dans les nombreux champs de la Physique et des Sciences de la Terre où sont étudiés des comportements de type systèmes complexes, en particulier dans les domaines suivants: (i) la morphogenèse, (ii) l'universalité, les lois d'échelles (iii) la combustion, la physique des interfaces, (iv) l'ordre et le désordre, (v) la criticalité auto-organisée.