CIMMES — La poussière interstellaire froide : études expérimentales et modélisation

Le projet CIMMES a pour but d’étudier l’évolution de la matière cosmique froide dans le contexte de l’étude de la matière interstellaire dans le domaine de longueur d’onde infrarouge lointain et submillimétrique (FIR/submm). Les observations dans la gamme FIR/submm tracent la poussière froide, nous permettant ainsi de détecter les nuages pré-stellaires avant leur effondrement, et donc d'étudier les premières étapes de formation des étoiles ainsi que d'estimer la masse de poussière dans les nuages interstellaires. Une bonne connaissance des propriétés physiques, chimiques et optiques de la poussière, ainsi que de son émission thermique est donc nécessaire pour une bonne interprétation des données de l’observation. L'émission de la poussière froide dans le milieu interstellaire (MIS) s’exprime habituellement comme une loi de puissance du type (?/?0)-ß où ß est l’indice spectral d’émissivité et ? la longueur d’onde. Selon les modèles simples semi-classiques de l'absorption, dans le FIR/submm, l’indice spectral ß a une valeur asymptotique ß = 2 indépendante de la température, valeur couramment utilisée dans les études astrophysiques. Avant le lancement de la satellites Herschel et Planck, certaines observations ont montré que l’émission FIR/submm de la poussière n’est facile à interpréter. Les principales énigmes observationnelles sont l'excès d’émission submillimétrique observée par l’instrument FIRAS à bord du satellite COBE (Cosmic Background Explorer) et l’ anti-corrélation ß(T) entre l'indice spectral ß et la température T de la poussière, anticorrélation déduite des observations des missions ballon PRONAOS et ARCHEOPS. Les premiers résultats des missions Herschel et Planck confirment ces variations d'émissivité de la poussière et indiquent qu'elles sont omniprésentes. Ils illustrent la richesse des informations disponibles dans ces observations pour l'étude de la poussière et du MIS dans notre Galaxie et dans les galaxies externes. Toutefois, ils soulignent également le manque criant de données de laboratoire sur les analogues de la poussière cosmique, pourtant nécessaires pour interpréter les observations et modéliser l’émission FIR de la poussière. Pendant ces 15 dernières années, seules quelques études de laboratoire ont été dédiées à la plage spectrale FIR/submm et à l’effet de la température. Par conséquent les propriétés optiques de la poussière à ces longueurs d'onde sont souvent extrapolées à partir de celles mesurées à plus courtes longueurs d'onde, et elles ne sont presque certainement pas valides. Dans ce contexte, nous avons mis au point une approche à la fois observationnelle, théorique et expérimentale visant à étudier l'évolution de la poussière froide dans le MIS. Le projet CIMMES rassemble des instituts d’astrophysique (IRAP et IAS) ayant l'expertise dans l'interprétation des données de l’observation et dans l'astrophysique de laboratoire (à travers le dispositif expérimental ESPOIRS basé à l’IRAP) et des instituts de chimie et de physique (LPCNO et UMET) ayant l'expertise dans la synthèse et la caractérisation de nanograins et de la matière extraterrestre. Dans cette collaboration interdisciplinaire entre astrophysiciens, chimistes et minéralogistes, véritable cœur de ce projet, nous allons synthétiser des analogues de poussières (silicates, poussière carbonée et glaces) et caractériser leurs propriétés optiques dans le domaine FIR/ submm à basse température. Les propriétés physico-chimiques de la poussière cosmique et les processus/conditions locales qui déterminent ces propriétés seront contraintes par l'interprétation des observations Herschel et Planck dans les programmes dédiés, programmes où l’IRAP et l’IAS sont impliqués. L'interprétation des données utilisera les modèles développés au sein de notre équipe. Cela comprend un nouveau modèle physique de l’émission FIR/submm et des modèles concernant les propriétés des poussières et leur évolution.