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Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires Patrick Hennebelle pour le PCMI Dahbia Talbi, Jean-Hugues Fillion, Valentine Wakelam, Alexandre Faure, Franck Le Petit Benoit Commerçon, Marc Joos, Anaelle Maury, Jacques Masson Edouard Audit, Andréa Ciardi, Sébastien Fromang, Romain Teyssier, Gilles Chabrier, Philippe André

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Page 1: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire

Comment la simulation numérique aide à

comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétairesPatrick Hennebelle pour le PCMI

Dahbia Talbi, Jean-Hugues Fillion, Valentine Wakelam, Alexandre Faure, Franck Le Petit

Benoit Commerçon, Marc Joos, Anaelle Maury, Jacques Masson

Edouard Audit, Andréa Ciardi, Sébastien Fromang, Romain Teyssier,

Gilles Chabrier, Philippe André

Page 2: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Qu’est-ce que le PCMI ? Quels sont ses objectifs ?

La formation des étoiles et des planètes

L’émergence de la complexité

Un écran à soustraire

Page 3: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Hot Ionised Gas

n =10−2cm−3,T =106K

Molecular Gas

10 −100 pc

n =103cm−3,T =10K

Dense Cores

0.1 pc

n =106cm−3

T =10K

Large scale structures

Interstellar CyclePlanets

Warm Ionised GasWarm Neutral Gas

Cold Neutral Gas

100 pc, n =102cm−3,T =102K

n =1cm−3

T =104K

STARS

n >1022cm−3,300000 km

Heavy ElementsKinetic energy

Radiation Cosmic Rays

Accretion discs

Page 4: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

ECOLE EVRY SHATZMAN 2012

ees2012.ens.fr

Page 5: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

In the Interstellar Medium:

Radiation ≈ Thermal ≈ Kinetic ≈ Cosmic Rays ≈ Magnetic

≈1 eV cm-3

=> Energy equipartition

=> Strong coupling between several physical processes

=> Difficult to simplify and isolate the problems

=> Slow progress

Page 6: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Bournaud et al. 2010

Simulating whole galaxies Simulating parts of galaxies

de Avillez & Breitschwerdt 2005

Performing global Simulations

Performed with RAMSESPRACE+ERC project

Page 7: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Hot Ionised Gas

n =10−2cm−3,T =106K

Molecular Gas

10 −100 pc

n =103cm−3,T =10K

Dense Cores

0.1 pc

n =106cm−3

T =10K

Large scale structures

Interstellar CyclePlanets

Warm Ionised GasWarm Neutral Gas

Cold Neutral Gas

100 pc, n =102cm−3,T =102K

n =1cm−3

T =104K

STARS

n >1022cm−3,300000 km

Heavy ElementsKinetic energy

Radiation Cosmic Rays

Accretion discs

Page 8: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

The 2-phase modelThermal equilibrium curve (Field et al. 69, Wolfire et al. 95)

CNM

WNM

Unstable

Field 65: performs linear stability analysis of the radiatively cooling fluid equations. Obtains the isobaric criteria for instability:

∂P∂ρ

⎠ ⎟L= 0

≤ 0

Wolfire et al. 95

Page 9: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

20 p

c

Turbulence within a bistable fluid(Koyama & Inutsuka 02,04, Kritsuk & Norman 02, Gazol et al. 02, Audit & Hennebelle 05, Heitsch et al. 05, 06, Vazquez-Semadeni et al. 06)

-Forcing from the boundary

-Statistical stationarity reached

-complex 2-phase structure

-cnm very fragmented

-turbulence in CNM is maintained by interaction with WNM

25002

Audit & Hennebelle 05

Page 10: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

3D simulations12003

Intermediate behaviourbetween 2-phase and polytropic flow

Page 11: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

50 pc

Formation of a molecular cloud :

-with Cooling -Isothermal

Converging flow

Importance of CoolingFor the Formation of Structures

Page 12: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Gas-phase chemical modeling

Model parameters : -Temperature (K)-Density (cm-3)-Elemental abundances-UV, X-rays, cosmic-rays fields-Chemical networks

Computation of the chemical abundances :

dni/dt = klj nlnj - ni kij nj

Production Destruction

k : reaction rate coefficients

A large community of French chemists and physicists, theoreticians and experimentalists are involved in the determination of accurate k (Bordeaux, Dijon, Montpellier, Paris, Rennes)

A + B → C + D

KIDAKinetic database for Astrochemistry

Page 13: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

H=EQCT, RRKM, TST …….

k (T)

CRESU

Astrochemical modelling

Kinetic Data Base (KIDA)

Measurment at low T and P

Page 14: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Hot Ionised Gas

n =10−2cm−3,T =106K

Molecular Gas

10 −100 pc

n =103cm−3,T =10K

Dense Cores

0.1 pc

n =106cm−3

T =10K

Large scale structures

Interstellar CyclePlanets

Warm Ionised GasWarm Neutral Gas

Cold Neutral Gas

100 pc, n =102cm−3,T =102K

n =1cm−3

T =104K

STARS

n >1022cm−3,300000 km

Heavy ElementsKinetic energy

Radiation Cosmic Rays

Accretion discs

Page 15: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Flow of WNM (density 1cc), velocity 20km/s each side, initial magnetic field 5G, gravity included

Page 16: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Internal clump velocity dispersion(density > 2500 cm-3)

σ(L) ≈1 kms−1 L /1pc( )0.5

Klessen & Hennebelle (2010)

σR0.5

Falgarone 2000

Compatible with Larson law=>is turbulence within GMC driven from outside ?

Page 17: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Iffrig & Hennebelle in prep 2012

Influence of supernovae explosions within molecular clouds

Page 18: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Hot Ionised Gas

n =10−2cm−3,T =106K

Molecular Gas

10 −100 pc

n =103cm−3,T =10K

Dense Cores

0.1 pc

n =106cm−3

T =10K

Large scale structures

Interstellar CyclePlanets

Warm Ionised GasWarm Neutral Gas

Cold Neutral Gas

100 pc, n =102cm−3,T =102K

n =1cm−3

T =104K

STARS

n >1022cm−3,300000 km

Heavy ElementsKinetic energy

Radiation Cosmic Rays

Accretion discs

Page 19: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

The core mass function(Motte et al. 1998, Testi & Sargent 1998, Alves et al. 2007, Johnstone et al. 2002, Enoch et al. 2008, Simpson et al. 2008)

Alves et al. 2007 Konyves, André et al. 2010

Page 20: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Extending Press-Schecter (1974) approach to the supersonic turbulent case

Principles of Press-Schecter analysis

Used in cosmology to predict the mass spectrum of DM haloes: =>very successful

-consider a spectrum of density fluctuations (Gaussian in the cosmological case) characterized by its powerspectrum and smooth it at scale R

-setup a criterion to decide which perturbations have to be considered (collapse time should be smaller than the age of the universe)

-sum over the corresponding fluctuations

In the case of Molecular clouds

(Padoan et al. 1997, Hennebelle & Chabrier 2008, 2009, 2011, Hopkins 2011, 2012)

-assume that the density PDF is log-normal

-the power-spectrum of log is close to Kolmogorov

-consider a uniform density threshold

-consider self-gravitating structures

Page 21: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Comparisons with numerical simulations

No free parameter

Hennebelle & Chabrier 2009Comparison with numerical simulations from Jappsen et al. 2005 with gravity

Schmidt et al. 2010Comparison with high resolution numerical simulations without gravity

Page 22: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Hot Ionised Gas

n =10−2cm−3,T =106K

Molecular Gas

10 −100 pc

n =103cm−3,T =10K

Dense Cores

0.1 pc

n =106cm−3

T =10K

Large scale structures

Interstellar CyclePlanets

Warm Ionised GasWarm Neutral Gas

Cold Neutral Gas

100 pc, n =102cm−3,T =102K

n =1cm−3

T =104K

STARS

n >1022cm−3,300000 km

Heavy ElementsKinetic energy

Radiation Cosmic Rays

Accretion discs

Page 23: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

XYhydro

XZhydro

XYMHD=2

XZMHD=2

300 AU

A collapse calculation (zoom onto the central part)(Hennebelle & Fromang 2008, Commerçon et al. 2010, Joos et al. 2012)1 solar mass slowly rotating core

B,

B,

Page 24: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Comparison of the PdBI maps with MHD simulations

Hydrodynamical simulations produce too much extended (+ multiple) structures if compared to the observations.

MHD simulations ?

Taurus PerseusHennebelle & Fromang (2008)Hennebelle & Teyssier (2008) MHD simulations : produce PdB-A synthetic images with typical FWHM ~ 0.2’’ - 0.6’’

Similar to Class 0 PdB-A sources observed !

need B to produce compact, single PdB-A sources.

White dashed : 3sigma level. Thick black : 5sigma level

Maury et al. 2010

Page 25: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Hincelin U., Commerçon B., Wakelam V., Hersant F., Guilloteau S., Aikawa Y. en préparation

Chimie 3D de l’effondrement des cœurs denses - formation des disques protoplanétaires

Chimie gaz-grain NAUTILUSHersant et al. 2009Hincelin et al. 2011

CO(gaz)/H

x(UA)

z(UA)

y(UA)

Effondrement 3D (RMHD)RAMSES

Teyssier 2002Fromang et al.

2006Commerçon et al.

2011T(K)

30

100

300

x(UA)0 50-50 100-100

0

50

-50

100

-100

y(UA)

0

50

-50

100

-100

y(UA)

log n(cm-3)

13

12

11

10

t=4.104ans

Chimie 3D

Page 26: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

5PhotodesorptionPhotodesorption UVUV d’un analogue de glace interstellaire :

Première étude expérimentale de la dépendence en longueur d’onde.

δ 5 10-2 molecule/photon

CO

Au, 18 K

Direct excitation of CO

CO desorptionUV photon (170-90 nm)

Fayolle et al. APJ 2011

Photodésorption de CO (15 K)

Expérience Ultra-vide & utilisation du rayonnement synchrotron (SOLEIL)

Compréhension du mécanisme microphysique Taux de photodésorption dans

différents champs de rayonnement

Page 27: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

•PDR Data Base (LUTH / MIS) Modèles de nuages interstellaires pour Herschel, IRAM, ALMA, VLT, HST, FUSE, ...• Interprétation «ordre 0» ou préparation d’observations

• densité de colonne de centaines d’espèces chimiques• intensités de raies, spectres• structures des nuages

Bases de données théoriques pour le MIS

Starformat (LERMA / ENS)• Simulations MHD du gaz interstellaire

• Formation des nuages, coeurs denses, ...

• Propriétés de la turbulence• Propriétés des coeurs denses

• distribution masse, vitesse, ...

• Post-traitement fournissent observables

• Développement international

• Application : milieu diffus, régions de formation d’étoiles, milieu intergalactique, ...

Page 28: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Conclusions

La formation des étoiles et des planètes sont des processus intimement liés qui sont :

-multi-échelles-multi-physiques

impliquant la synergie entre :

-observations-théories non-linéaires-simulations numériques-développement et maintien de codes-expériences de laboratoire-bases de données

Des progrès importants ont été réalisés (IMF, SFR, fragmentation). ALMA ouvre de grandes perspectives.

Page 29: Des Galaxies aux planètes : le milieu interstellaire Comment la simulation numérique aide à comprendre la formation des étoiles et des disques protoplanétaires

Column density

Density cut Temperature

Magnetic field

Although the cloud appears as a single phase entity in projection, its structure is not very different from the CNM/WNM structure. Clumps are bounded by WNM which provides them a confining pressure.