Contribution au groupe "Thématiques scientifiques prioritaires"

Physique Chimie du milieu interstellaire

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

Introduction

Cette thématique est née il y a 30 ans avec la découverte des nuages moléculaires dans la Galaxie à travers l'observation de la transition de rotation J=1-0 de la molécule CO. Les découvertes se sont depuis succédées à un rythme soutenu et l'étude physico-chimique de la matière diluée et froide est devenue une thématique transverse aux disciplines de l'astrophysique de la Cosmologie à la Planétologie et aussi un lien interdisciplinaire fort de l'Astrophysique avec la Physique et la Chimie. La formation de molécules et poussières interstellaires dans le gaz primordial puis l'espace interstellaire jouent un rôle déterminant dans la structuration de l'Univers de la formation des premières étoiles à celle des disques proto-planétaires. Ce sont les poussières qui couplent la matière avec le rayonnement stellaire, les molécules et aussi les poussières dans les condensations proto-stellaires qui rayonnent l'énergie perdue par le gaz froid sur la gravité et les ions moléculaires et les grains chargés qui lient la matière neutre au champ magnétique. L'émission du gaz et des poussières interstellaires offre tout au long de cette évolution des diagnostics spectroscopiques uniques des conditions physiques et de la composition chimique de la matière. L'étude physico-chimique de la matière a aussi 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.

Faits marquants

Mise en évidence spectroscopique avec le satellite ISO de l'évolution des poussières interstellaires, des enveloppes circumstellaires aux condensations proto-stellaire et disques proto-planétaires. Identification des principaux constituants des glaces interstellaires et des premières étapes de l'évolution physico-chimique de la matière moléculaire condensée à la surface des grains. La comparaison entre données observationnelles et de laboratoires a été essentielle dans ces avancées.

Premières explorations avec les instruments de l'IRAM de la structure et la chimie du gaz dans les condensations proto-stellaire et les disques proto-planétaires. En particulier, mise en évidence d'un important fractionnement en deutérium interprété comme le résultat de la déplétion des éléments lourds sous forme de molécules condensées sur les grains.

Détection de l'émission infrarouge de poussières interstellaires et de raies d'émission de la molécule CO dans des quasars a grands décalages vers le rouge. Cette découverte démontre une formation rapide de poussières qui obscurcissent les étapes les plus actives de l'évolution des galaxies.

Bilan

Les développements récents de la thématique ont été stimulés par les succès d'ISO et de l'IRAM auxquels elle a grandement contribué.

Les données spectroscopiques fournies pas ISO et aussi le VLT ont révolutionné la recherche sur la nature des poussières interstellaires et leur contribution à l'évolution chimique de la matière. La nature précise des nano-particules carbonées, leur lien éventuel avec les porteurs DIBs et leur rôle de catalyseur pour la chimie interstellaire en particulier pour la formation de H₂ font l'objet de projets expérimentaux et théoriques étroitement liés aux résultats observationnels. Les premières étapes de la synthèse de ces nano-particules ont été observées dans les enveloppes circumstellaires. La découverte par ISO de silicates cristallins dans les enveloppes circumstellaires, les disques circumstellaires et la comète Hale-Bopp et leur absence dans le milieu interstellaire posent le problème de la transition entre matériaux cristallins et amorphes dans l'espace.

Les observations hétérodynes à haute résolution spectrale de raies atomiques et moléculaires ont permis de grandement augmenter la statistique et la dynamique spatiale sur la structure multi-échelle et turbulente du milieu interstellaire, un pas essentiel dans l'exploration du rôle de la turbulence sur l'évolution de la matière interstellaire en particulier la régulation du taux de formation d'étoiles et l'impact des conditions hors équilibre (liées à la dissipation intermittente de l'énergie turbulente) sur la chimie interstellaire. L'existence de gaz moléculaire chaud dans le milieu diffus loin des régions de formation d'étoiles a été mise en évidence par des observations H₂ à la fois en émission (ISO) et en absorption (FUSE). L'exploration de la chimie dans ce milieu a connu une avancée majeure avec la détection d'une vingtaine de molécules interstellaires par spectroscopie millimétrique en absorption en direction de radio-sources. L'étude du rôle du champ magnétique dans la structuration du milieu interstellaire et la formation des étoiles se développe avec un nombre grandissant d'observations donnant accès à son intensité et orientation dans les nuages interstellaires.

Une action pluridisciplinaire réunissant astrophysiciens, spectroscopistes, physiciens et chimistes est engagée pour la préparation scientifique de Herschel et ALMA. Ce groupe joue un rôle moteur dans cette préparation à l'échelle européenne.

Forces et faiblesses de la communauté

Forces:

L'avènement à proche et moyen terme de plusieurs grands instruments aux longueurs d'onde infrarouge/millimétrique, avec un gain en sensibilité et résolution angulaire de 10 à 100 ainsi que l'ouverture de la totalité du domaine sub-millimétrique à l'exploration spectroscopique avec Herschel vont grandement élargir le domaine de recherche de la communauté PCMI. C'est une grande opportunité mais aussi un défi auquel nous devons nous préparer.

La thématique PCMI a un champ d'action très large et bénéficie d'une grande diversité d'échanges. Elle est par essence interdisciplinaire et transverse aux disciplines de l'astrophysique (PCMI a des interfaces actives avec plusieurs programmes nationaux: PNP, PNPS, PNG, PNC et GDR Exobiologie). Elle est à la fois fédératrice au sein de l'Astrophysique et avec la Physique et la Chimie.

Rôle structurant du Programme National: cette communauté est remarquablement soudée en dépit de sa grande diversité et dispersion institutionnelle. Son action est reconnue internationalement.

Faiblesses:

Les équipes constituant la communauté PCMI sont petites et dispersées, aussi bien au sein des labos d'astrophysique que dans les labos de Physique et Chimie. Elles y représentent le plus souvent une thématique minoritaire. Elles ont de ce fait du mal à y imposer leurs priorités scientifiques, en particulier en termes de recrutements et d'équipement. La nature le plus souvent pluridisciplinaire de ces priorités est une difficulté supplémentaire.

Le financement d'un projet expérimental est un parcours à obstacles répétés au succès final incertain. PCMI ne peut apporter qu'une contribution très partielle au financement de grands projets (> 200 kEuro) . L'absence de cadre institutionnel pour leur financement est un clair frein au développement de projets expérimentaux ambitieux.

La communauté PCMI est trop petite et dispersée dans ses actions pour faire face à la multiplication des observations dont l'interprétation s'appuiera sur la compréhension de la physique des milieux dilués et froids et les connaissances des propriétés physico-chimiques et spectroscopiques de la matière. Pour préserver la position de la France dans ce domaine et assurer le retour scientifique des grands instruments élaborés dans un contexte international, l'action fédératrice et interdisciplinaire de cette communauté doit être soutenue au niveau national, en particulier par des affichages inter-disciplinaires.

Grandes questions

L'étude de la matière inter et circumstellaire est liée à plusieurs des grandes questions présentes de l'astrophysique: la formation et l'évolution des galaxies, la formation des étoiles et des planètes, et l'exploration de la chimie dans l'espace. La physique et la chimie de la matière jouent dans chacune de ces étapes de l'évolution de l'univers un rôle clé. La caractérisation observationnelle de l'état physique et chimique de la matière le long de cette évolution et l'identification des processus physico-chimiques qui y contribuent sont donc naturellement un axe central de cette thématique.

Les observations à haute résolution spatiale et spectrale montrent que le milieu interstellaire est structuré à toutes les échelles accessibles à l'observation aussi bien en densité qu'en vitesse. C’est un système hors-équilibre, turbulent, hétérogène à toutes les échelles et aucune échelle ne peut y être considérée comme isolée ou fermée. L'évolution de ce milieu et en particulier le fait qu'il forme des étoiles est le fruit d'une dynamique complexe résultant des nombreux couplages non-linéaires, locaux et non-locaux, entre le rayonnement, la chimie, la turbulence, la gravité et le champ magnétique. 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. L'émergence de structures dans ce milieu et plus généralement dans les milieux dilués de l'univers doit être abordée dans cette perspective. Le développement de cette approche de l'évolution de l'univers est le deuxième axe de notre contribution inter-disciplinaire à l'astrophysique.

Propositions thématiques d'évolution

L'élargissement du domaine de recherche de PCMI, résultant du gain en sensibilité et résolution angulaire des grands instruments, va accentuer la nature transverse et interdisciplinaire de cette thématique ce qui devrait l'amener à jouer un rôle fédérateur fort au sein de l'Astrophysique mais aussi avec la Physique et la Chimie.

L'évolution physico-chimique de la matière lors des phases proto-stellaires et dans les disques proto-planétaires est un sujet phare qui va grandement se développer avec l'objectif de faire le lien avec la matière primitive dans le système solaire. Un enjeu majeur de ce sujet est la recherche de molécules pré-biotiques hors du système solaire. Le gain en sensibilité et résolution angulaire permet aussi d'observer plus loin.

L'observation de la matière interstellaire va s'étendre aux galaxies dans toute leur diversité et contribuer de manière essentielle à l'étude de l'évolution des galaxies en particulier les phases d'intense formation stellaire. Dans l'infrarouge lointain un projet de grand télescope (8m) refroidi par cryogénie (SAFIR) s'élabore. Le gain en sensibilité devrait pouvoir permettre l'étude de la formation des premières étoiles et des galaxies à travers l'observation des raies de rotation de H₂. C'est aussi un des objectifs d'ALMA et du NGST.

ALMA, Herschel et Planck permettront de tracer la structure en densité et en vitesse de la matière du milieu diffus aux condensations proto-stellaires sur une large gamme d'échelles angulaires avec une statistique significative. L'interprétation de ces données devra s'appuyer sur un développement de notre compréhension des propriétés de la turbulence MHD supersonique. ALMA devrait permettre de localiser les régions de dissipation de l'énergie turbulente, d'étudier la physique de cette dissipation et son impact sur l'évolution du milieu interstellaire. Le rôle du champ magnétique dans la structuration du milieu interstellaire et la formation des étoiles va pouvoir être étudier à travers la mesure de la polarisation de raies du gaz et de l'émission sub-mm des poussières. Herschel donnera accès à de nouveaux diagnostics spectroscopiques des conditions physiques particulièrement précieux pour l'étude de la formation des étoiles (H2O) et les transitions de phase dans le milieu diffus (CII).

L'ouverture d'un nouveau domaine de longueurs d'onde par Herschel et aussi ALMA insuffleront une nouvelle dynamique dans la recherche de nouvelles molécules. On attend un apport original à la chimie interstellaire des relevés spectraux de sources de référence représentatives des diverses étapes de l’évolution de la matière. Par exemple, l'analyse spectroscopique du gaz là où les glaces se subliment est un moyen beaucoup plus sensible d'étudier la chimie à la surface des grains que la spectroscopie IR en absorption. La spectroscopie des poussières par SIRTF puis Herschel servira enfin à caractériser les poussières interstellaires et leur cycle de vie.

Une action concertée des programmes nationaux est nécessaire pour préparer les astrophysiciens français à tirer le meilleur parti des futurs instruments dans un contexte de forte compétition internationale. En particulier l'interprétation de données spectroscopiques sur la poussière et le gaz interstellaire ne peut plus rester le domaine de spécialistes. Une réflexion est engagée dans le cadre de PCMI pour rendre disponible à une large communauté les bases de donnée de physique et outils de modélisation nécessaires à l'interprétation de ces observations et de les intégrer dans les observatoires virtuels.

Les échanges interdisciplinaires doivent être renforcés suivant deux axes: (1) avec les physico-chimistes et spectroscopistes pour obtenir les données et caractériser les processus physico-chimiques (spectroscopie, excitation, réactivité chimique pour les molécules et poussières interstellaires) qui serviront à l'interprétation des observations et (2) avec des physiciens pour comprendre l'évolution dynamique de la matière résultant des couplages entre processus et échelles spatiales et temporelles. L'interprétation des données sur la structure du milieu interstellaire devra par exemple s'appuyer sur une compréhension des propriétés fondamentales de la turbulence MHD.

Le développement des techniques de détection cohérente et incohérente du rayonnement interstellaire dans l'infrarouge lointain et le sub-millimétrique doit être soutenu pour préparer les futurs observatoires au-delà de Planck, Herschel et ALMA. Les perspectives de progrès instrumentaux sont riches. Le développement de l'hétérodyne qui reste unique pour la spectroscopie à très haute résolution spectrale va se poursuivre au-delà du tera-Hertz. Les caméras bolométriques vont révolutionner les capacités présentes d'imagerie grand champ dans le domaine sub-millimétrique. Hors des bandes atmosphériques, l'observatoire en avion SOFIA va constituer le banc d'essai des nouveaux développements instrumentaux. La participation d'instrumentalistes français à la construction d'instruments pour cet observatoire doit être encouragée.