Cette thématique sera développée suivant quatre axes principaux : le milieu interstellaire des galaxies de l'Univers local ; la dynamique des galaxies ; l'histoire cosmique du MIS dans les galaxies ; et enfin la matière noire. L'ensemble de ces questions est abordé sous l'angle des observations mais aussi de la modélisation, et pour les quatre années à venir, les projets majeurs du point de vue observationnel sont le VLT (UVES, VIRMOS, GIRAFFE), MEGACAM, SIRTF, SOFIA, sans oublier l'exploitation d'ISO et l'utilisation des instruments de l'IRAM. Côté numérique, le projet MPOPM motive beaucoup les chercheurs de cette équipe.
Galaxies proches
Un des objectifs sera de mieux comprendre leur bilan énergétique, et un des moyens sera d'appliquer le savoir-faire existant au laboratoire concernant le MIS de notre Galaxie aux galaxies proches pour déterminer le taux de chauffage, les paramètres physiques du gaz et la nature des poussières. Pour ceci, il faudra s'attacher à étudier de grands échantillons et à atteindre une meilleure résolution. Ici comme souvent, les études multi-longueurs d'onde vont se révéler indispensables, avec des instruments comme ISO dont l'exploitation est loin d'être terminée, le VLT dans l'IR, IRAM, SIRTF, SOFIA, et la perspective à plus long terme de Herschel et d'ALMA.
Le deuxième objectif sera de mieux comprendre la physique de la formation des étoiles en fonction des paramètres physiques, et nécessitera d'étudier des galaxies de types morphologiques, d'environnements, et de tailles variés.
Dynamique des galaxies
Les projets, théoriques et observationnels, concernent les galaxies spirales barrées ou non, la formation et l'évolution des ondes m = 2, le comportement du gaz dans les spirales barrées, la formation d'étoiles couplée à la dynamique. Les déformations d'ordre m =1 (gauchissement des disques, oscillations du centre de gravité, spirale à un bras) seront étudiées via des simulations numériques. L'équipe poursuit également de nombreux projets observationnels et numériques pour mieux comprendre la physique de l'interaction entre galaxies, principal moteur de l'évolution des galaxies. Elle a entrepris en particulier un vaste programme de simulations de fusions entre galaxies incluant gaz et étoiles qui devrait permettre d'aborder la dynamique des galaxies et leur évolution chimique.
Les relations possibles entre flambées de formation d'étoiles et présence d'un noyau actif sont une des questions actuellement débattues dans la communauté extragalactique et qui font déjà l'objet de travaux de la part de membres du laboratoire, notamment sur la question de la présence de gaz autour des quasars et l'étude de sa dynamique.
Evolution " cosmique " du milieu interstellaire des galaxies
Il est clair que dans les années à venir, les chercheurs du groupe s'investiront de plus en plus dans l'observation du milieu interstellaire de galaxies lointaines, qu'il s'agisse de l'émission continue de leurs poussières ou de l'émission dans les raies de CO, ceci dans la perspective d'ALMA et Herschel car pour cette question, les domaines submillimétrique et infrarouge lointain jouent un rôle critique. Pour disposer d'échantillons adaptés, une collaboration étroite avec les astronomes travaillant dans le visible et le proche IR sera nécessaire.
Pour les systèmes absorbants de quasars, qui sont un moyen très performant de sonder le MIS des galaxies à grande distance, de nouvelles perspectives s'ouvrent avec la mise en service de l'instrument VIRMOS sur le VLT et la possibilité d'obtenir des spectres de quasars bien plus faibles qu'à l'heure actuelle. Des observations systématiques seront effectuées pour découvrir de nouveaux absorbants en millimétrique (GBT, IRAM).
En ce qui concerne l'évolution des galaxies, un travail numérique majeur a été entrepris pour obtenir à terme une bibliothèque contenant l'évolution temporelle d'une centaine de fusions de galaxies, résultats qui pourraient être incorporés dans les modèles semi-analytiques de formation de galaxies, mais aussi permettre des prédictions d'observations et de comptages avec Herschel, ALMA et le NGST. Le projet de machine parallèle MPOPM sera un atout essentiel pour ce travail.
Matière noire, cosmologie observationnelle
Deux volets : H2 froid comme composante de la matière noire, et le cisaillement gravitationnel cosmologique.
L'hypothèse d'une matière noire sous forme de gaz très froid sera testée par des observations en UV et en millimétrique ; ses conséquences pour la stabilité des disques galactiques et la forme des halos seront testées. Enfin, la modélisation de la formation de très petits grumeaux de gaz froid est en cours.
La fin 2001 devrait voir la mise en service de TERAPIX. Pour l'analyse du cisaillement gravitationnel cosmologique, il est prévu de reconstruire le spectre de puissance de la matière noire en cartographiant le cisaillement avec MEGACAM puis de reconstruire le facteur de biais entre la distribution de la matière noire et celle des galaxies en fonction de l'échelle angulaire et du décalage spectral. Ceci est fait conjointement avec le suivi spectroscopique (VIRMOS) et un suivi en X (XMM).
Etoiles et milieu interstellaire
Formation et évolution des étoiles massives
Cette équipe s'intéresse à plusieurs aspects de la formation et de l'évolution des étoiles, en particulier des étoiles massives, et de leur interaction avec la matière interstellaire : phénomènes de perte de masse au début, à la fin de la vie d'une étoile, ou encore sur la séquence principale et enfin formation de disques ou de systèmes planétaires. Dans le cas des étoiles massives, formation et évolution sont étroitement liées puisque lorsque ces étoiles se dégagent de leur matière pré-natale, elles ont déjà passé un temps considérable sur la séquence principale. Pour ces questions, les aspects les plus importants des projets observationnels sont le développement de l'imagerie et de la spectroscopie à haute résolution angulaire et l'accès à la spectroscopie submillimétrique.
Pour l'étude du cycle de la matière entre étoiles et milieu interstellaire, un paramètre clef est le taux de perte de masse d'une étoile en fonction de son stade d'évolution depuis les étoiles jeunes et massives jusqu'aux étoiles très évoluées. Celui-ci peut être déterminé par des méthodes faisant appel à une large palette de moyens observationnels : IR, UV, radio. L'exploitation des données obtenues à l'ESO, au HST, et à l'IRAM ainsi que celles fournies par les projets DENIS, IRTS, ISO, puis très prochainement SIRTF et Astro-F, devrait permettre des avancées importantes, en attendant la réalisation des projets ALMA et Herschel.
On sait maintenant que la perte de masse ne se développe pas de manière isotrope, comme le prouve l'observation de jets dans les protoétoiles ou encore de disques autour de certaines étoiles de l'AGB. Il y a donc un besoin très fort d'imagerie à haute résolution angulaire. Le HST et le CFHT continueront à répondre à ce besoin au cours des prochaines années, mais le VLT et le VLTI, puis ALMA, apporteront de nombreux éléments d'information nouveaux. Les suivis spectroscopiques avec le VLT et le HST permettront d'étudier les conditions physiques dans les différentes composantes de ces sources.
Le réseau ALMA dans sa configuration étendue sera très performant pour la recherche indirecte d'exoplanètes de masse comparable à celle de Jupiter par astrométrie. Il s'agit de mesurer très précisément la position d'une étoile pendant plusieurs années pour déceler éventuellement une variation périodique due à la présence d'un compagnon. Le mode interférométrique du VLT dans l'infrarouge proche, et le VLA à 43 GHz, permettront d'aborder cette étude très prochainement avant la mise en service d'ALMA.
On peut aussi attendre des développements extrêmement importants dans le domaine de la spectroscopie submillimétrique. En effet, avec ISO des résultats spectaculaires ont été obtenus sur des objets à fort taux de perte de masse. La sensibilité de Herschel et l'extension du domaine spectral aux longueurs d'onde submillimétriques avec l'instrument HIFI vont renouveler nos connaissances sur les environnements circumstellaires. Avec les deux autres instruments de Herschel, PACS et SPIRE, l'environnement lointain des étoiles pourra être étudié. Par exemple, on pourra décrire l'évolution à long terme de la perte de masse sur des périodes de temps de l'ordre de 103 à 104 ans, et étudier l'interface entre les milieux circumstellaires et le MIS, là où la matière d'origine stellaire est injectée dans ce dernier.
Des progrès importants ont été obtenus récemment dans le domaine des simulations numériques. On a réussi par exemple à mettre au point des modèles autocohérents non-stationnaires qui reproduisent bien les propriétés des vents qui se développent autour des étoiles carbonées. Ces modèles font appel à des codes numériques complexes et coûteux en temps de calcul. Grâce aux progrès en capacité de calcul, l'équipe devraient pouvoir aborder les cas d'autres types d'étoiles comme les étoiles AGB de type M que l'on suppose dominer le renouvellement du MIS, prendre en compte des effets de non-sphéricité et la description des jets dans les environnements protostellaires, et utiliser une description fine des problèmes de physique liés à la formation des grains.
Cycle de la matière entre étoiles et MIS
Cette équipe se consacre à l'étude de la physique du milieu interstellaire, qui apparaît dans les grandes questions de l'astrophysique contemporaine que sont la formation des étoiles, l'évolution des galaxies, et plus généralement la formation des structures. L'étude du milieu interstellaire est aussi un domaine d'interface privilégié avec la physique et la chimie fondamentale, comme en témoigne la vitalité du programme national PCMI. Les activités de l'équipe vont se développer de manière équilibrée entre théorie et modélisation, observations à l'aide des grands instruments actuels, avec un investissement notable dans la préparation des très grands instruments à venir.
L'objectif est de progresser dans la compréhension de la structure du milieu interstellaire et la description des processus physiques et chimiques mis en jeu, en mettant l'accent sur les nombreux couplages non-linéaires qui interviennent de manière cruciale dans l'évolution du gaz interstellaire. Les développements obtenus pour le milieu interstellaire local servent de base pour aborder la question de l'évolution cosmologique du milieu interstellaire des galaxies et du gaz intergalactique. L'approche de ces questions est diversifiée et fait appel à des développements théoriques (hydrodynamique radiative et compressible, turbulence magnéto-hydrodynamique, systèmes dynamiques), de la modélisation, si besoin avec des moyens numériques lourds, et des observations (en particulier sur les très grands équipements nationaux et internationaux).
Le travail de recherche dans la période 2002-2005 sera axé sur les projets suivants :
- observation des milieux dilués à toutes les échelles avec les instruments de nouvelle génération: refroidissement du gaz galactique (spectroscopie atomique et moléculaire dans les domaines millimétrique et submillimétrique: instruments de l'IRAM, satellite Odin, CSO, SIRTF), sondage du champ magnétique et du champ de vitesse turbulent dans les nuages moléculaires (spectro-polarimétrie millimétrique: télescopes de l'IRAM), fluctuations de densité à très petite échelle (spectroscopie dans l'UV lointain : satellite FUSE), sondage du milieu interstellaire des galaxies lointaines (spectroscopie mm, IR, visible et UV: VLT, HST), etc.
- physico-chimie du milieu interstellaire dense, des nuages sombres aux régions de photodissociation, implications pour le taux de refroidissement et la dynamique des milieux considérés. Processus hors équilibre ; échanges entre le gaz et la phase solide.
- écoulements radiatifs compressibles thermiquement bistables: poursuite de la recherche de solutions analytiques, exploitation d'un code hydrodynamique (SPH) pour aborder l'extension en deux et trois dimensions des résultats obtenus à une dimension. Développement d'un code à maille adaptative en collaboration.
- écoulements turbulents dans le milieu interstellaire. Topologie et rôle du champ magnétique.
- développement du pôle d'expertise en instrumentation: le laboratoire accueille à l'ENS une partie de l'Instrument Control Center (ICC) du satellite européen Herschel Space Observatory (anciennement FIRST) qui doit être lancé en 2007. Le travail conduit dans l'équipe concerne la définition et l'organisation, en collaboration avec l'équipe néerlandaise responsable de l'instrument, des opérations d'étalonnage à mener avant le lancement et durant le vol sur les récepteurs hétérodynes de ce satellite.
- exploitation des données du satellite submillimétrique Odin (lancé en Février 2001) auxquels plusieurs membres de l'équipe auront accès. Ce satellite est dédié à des observations en alternance de l'atmosphère terrestre et d'objets astrophysiques.
- un membre de l'équipe est associé à la préparation du projet ballon ELISA destiné à préfigurer la mission PLANCK. La responsable de ce projet est I. Ristorcelli du CESR. On s'intéressera plus particulièrement aux données sur l'émission des poussières froides dans le plan galactique.
- enfin, le laboratoire participe à la préparation scientifique d'ALMA, qui devrait permettre, avec sa surface collectrice de près de 10 000 m2 et ses lignes de base de plusieurs kilomètres, d'atteindre des résolutions de l'ordre de la taille d'un système planétaire à la distance des étoiles les plus proches du Soleil et des sensibilités permettant d'observer le contenu moléculaire de galaxies en formation à des époques très reculées. De nombreux programmes sont envisagés. L'effort porte aussi sur les méthodes d'analyse du signal interférométrique pour exploiter au mieux l'information acquise, notamment sur les programmes dédiés à l'étude de la structure du MIS.
Préparation scientifique d'ALMA
- Ram pressure stripping and star formation in clusters of galaxies: Application to the VIRGO cluster
- The cold molecular gaz in cooling flow clusters of galaxies
- Influence of environment in the formation and evolution of galaxies
- Publications
Ram pressure stripping and star formation in clusters of galaxies: Application to the VIRGO cluster. (Pavel Jachym)
The cold molecular gaz in cooling flow clusters of galaxies (Philippe Salomé)
Theoritical predictions of radiative cooling of the intra-cluster medium (ICM) from 10^7 K to a very cold phase has never been prooved directly. The new generation of X-ray satellites Chandra and XMM-Newton has permitted to explore the central part of some of these large structures, where a cooling flow is active. The main question concerning cooling flows is about the fate of the cooling gas. The work presented here is the detection of cold molecular gas in the central region of several clusters of galaxies with cooling flow, obtained with the IRAM 30m telescope. These detection can be interpreted as the signature of the cold component deposited along the flow. But molecular gas mass derived are still lower than what is predicted by X-ray data analyses. To try to constrain the origin of the cold gas detected, we studied one peculiar objet: Abell 1795. A spectral analyse of Chandra X-ray data has been performed to give an estimation of important parameters describing the intra-cluster gas (temperature, abundance, column density, mass deposition rates). To understand the link between the cold gas detected in Abell 1795 and the cooling flow, interferometric observations with the IRAM Plateau de Bure instrument have been performed. The morphology and dynamics of the molecular gas, emitting through CO emission lines, is presented and discussed. The cold gas is associated with hotter components already pointed out in the cluster core. These observations are consistent with a radiative cooling to very low temperature. The cold gas is then a reservoir available to fuel the star formation, existing in the same region. The interaction of the central radio-source with the ICM is underlined and may play an important role in the cooling flow scenario. New observations (Plateau de Bure, VLT) are in progress now to increase the number of sources observed and better understand the place of the cold gas detected in cooling flow clusters of galaxies.
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Influence of environment in the formation and evolution of galaxies (Simon Verley)
The title of my thesis is "Influence of environment in the formation and
evolution of galaxies" under the co-supervision of Francoise Combes
(Observatoire de Paris) and Lourdes Verdes-Montenegro (IAA).
One of the objectives of this thesis is to perform a study of the star
formation in a sample of the most isolated galaxies selected by
Karachentseva (1973). In particular, to study the factors that trigger
and regulate large scale star formation and to distinguish effects of
the environment from those of the intrinsic features of the galaxies
such as gas content or mass distribution (bulge/disk relation, etc).
This thesis work takes place in a larger project which will provide a
large www database containing B magnitudes, infrared emission, atomic
hydroden masses and radio-continuum flux, but also molecular gas and
H-alpha emission. I am more particularly working on this last point as
H-alpha is a good tracer of the recent star formation. This work
includes observations and reductions of the adquired H-alpha images. I
am also working on the revision of the isolation criteria for the
galaxies to highlight the differences between intern and environmental
effects.
One last task will be modeling the principal features of the star
formation and interpreting these results in light of the observational data.
Quantifying the environment of the most isolated galaxies.
The role of the environment on galaxy evolution is still not fully
understood. In order to quantify and set limits on the role of nurture
one must identify and study an isolated sample of galaxies.
The AMIGA project "Analysing the Interstellar Medium of Isolated
Galaxies" is doing a multiwavelength study of a large sample of isolated
galaxies in order to examine their star formation activity and
interstellar medium. It is not enough to identify a small number of the
"most isolated" galaxies. Instead one wishes to evaluate the slope of
the nurture function as it approaches zero.
We begin with n=950 galaxies from the Catalogue of Isolated Galaxies
(-CIG-, Karachentseva, 1973) and reevaluate isolation using an automated
star-galaxy classification procedure (to m_B = 18) on large digitized
POSS-I fields surrounding each CIG galaxy. We define, compare and
discuss various criteria to quantify the degree of isolation for these
galaxies: e.g. Karachentseva's revised criteria, local surface density
computations, estimation of the external tidal force affecting each
isolated galaxy. We also apply our pipeline to Abell Clusters and
Hickson compact groups which serve as control samples.
We begin with a large sample of reasonably isolated galaxies and end
with refined subsamples reflecting degrees of isolation. Comparison of
multiwavelength ISM measures (e.g. Halpha, HI, FIR, radio continuum) for
these subsamples will allow us to search for the slope of nurture
induced effects as it approaches zero.
Talk slides : Influence of environment in the formation and evolution of galaxies
