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Le milieu interstellaire Cette page est laissée intentionnellement en blanc. Ja

Le milieu interstellaire Cette page est laissée intentionnellement en blanc. James Lequeux Avec le concours d'Edith Falgarone et Charles Ryter Le milieu interstellaire S A V O I R S A C T U E L S EDP Sciences/CNRS EDITIONS Illustration de couverture : La nebuleuse par reflexion 1C 349 dans les Pleiades. La poussiere interstellaire est illuminee par 1'etoile Merope situee en haut, en dehors du champ. Voir la planche 15. Document Telescope Spatial Hubble. © 2002, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Pare d'activites de Courtabceuf, 91944 Les Ulis Cedex A et CNRS EDITIONS, 15, rue Malebranche, 75005 Paris. Tous droits de traduction, d'adaptation et de reproduction par tous precedes reserves pour tous pays. Toute reproduction ou representation integrate ou partielle, par quelque procede que ce soit, des pages publiees dans le present ouvrage, faite sans 1'autorisation de 1'editeur est illicite et constitue une contrefac,on. Seules sont autorisees, d'une part, les reproductions strictement reservees a 1'usage prive du copiste et non destinees a une utilisation collective, et d'autre part, les courtes citations justifiees par le caractere scientifique ou d'information de Pceuvre dans laquelle elles sont incorporees (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriete intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent etre realisees avec 1'accord de 1'editeur. S'adresser au : Centre frangais d'exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tel. : 01 43 26 95 35. ISBN EDP Sciences 2-86883-533-3 ISBN CNRS EDITIONS 2-271-05955-0 A Genevieve Cette page est laissée intentionnellement en blanc. Table des matieres Avant-propos xiii 1 Notre Galaxie, hote du milieu interstellaire 1 1.1 Notre Galaxie : les ordres de grandeur 2 1.2 Les populations stellaires 6 1.2.1 Generalites 6 1.2.2 Les populations du disque 7 1.2.3 Le bulbe et le halo 9 1.3 Distribution de la matiere interstellaire 10 2 Rayonnements et champ magnetique 15 2.1 Les champs de rayonnement 15 2.1.1 Les rayonnements extragalactiques 16 2.1.2 Les rayonnements galactiques 16 2.2 Le champ magnetique interstellaire 21 2.2.1 Mesure du champ magnetique par effet Zeeman 24 2.2.2 Mesure du champ magnetique par rotation Faraday . . 25 2.2.3 Estimation du champ magnetique a partir du rayonnement synchrotron galactique 26 2.2.4 Estimation de la direction du champ magnetique par polarisation lineaire de la lumiere 28 2.2.5 Resultats 29 3 Transfert du rayonnement et excitation 31 3.1 L'equation de transfert 31 3.1.1 Demonstration 31 3.1.2 Approximation de Rayleigh-Jeans. Notations radioastronomiques 34 3.1.3 Temperature d'excitation 37 3.2 Systeme a deux niveaux d'energie hors ETL 38 3.2.1 Relations generates 38 3.2.2 Cas de 1'equilibre radiatif pur 39 viii Table des matieres 3.2.3 Couplage de 1'excitation et du transfert, approximation LVG 40 3.3 Cas general ; masers 45 4 Le gaz interstellaire neutre 51 4.1 Le gaz neutre atomique 51 4.1.1 La raie 21 cm de 1'hydrogene atomique 52 4.1.2 Les raies de structure fine dans 1'infrarouge lointain . . 58 4.1.3 Les raies d'absorption interstellaires 62 4.2 La composante moleculaire 71 4.2.1 Generalites 71 4.2.2 Les transitions electroniques 74 4.2.3 Les transitions vibrationnelles 76 4.2.4 Les transitions rotationnelles 81 4.2.5 Les ban des interstellaires diffuses 93 5 Le gaz interstellaire ionise 97 5.1 Les regions Hll 97 5.1.1 Theorie de 1'ionisation ; la sphere de Stromgren 98 5.1.2 L'emission continue du gaz ionise 102 5.1.3 Les raies de recombinaison 107 5.1.4 Les raies de recombinaison radio 113 5.1.5 Les raies interdites 117 5.1.6 La determination des abondances dans les regions HII . 120 5.2 Le gaz ionise diffus 122 5.3 Le gaz chaud 125 5.3.1 L'ionisation par collisions electroniques a haute temperature 125 5.3.2 L'emission de raies X 128 5.3.3 Emission X thermique continue 128 5.3.4 Resultats 129 5.4 L'absorption X 130 6 Le milieu interstellaire aux hautes energies 133 6.1 Les rayons cosmiques 133 6.1.1 Origine des rayons cosmiques 134 6.1.2 Les rayons cosmiques solaires et la modulation solaire . 135 6.1.3 Les rayons cosmiques galactiques 136 6.1.4 Les rayons cosmiques de tres haute energie 142 6.1.5 Les electrons cosmiques 145 6.1.6 Confinement des rayons cosmiques dans la Galaxie . . . 145 6.2 Le continuum en rayons gamma 149 6.2.1 Production de gammas par interactions nucleaires . . . 150 6.2.2 Production de gammas par rayonnement de freinage . . 153 6.2.3 Production de gammas par effet Compton inverse . . . 153 Table des matieres ix 6.3 La masse du milieu interstellaire 154 6.3.1 Utilisation des observations gamma pour determiner la masse du milieu interstellaire dans la Galaxie 155 6.3.2 Utilisation de la masse du viriel des nuages moleculaires 158 6.3.3 Comparaison Wco-extinction 159 6.3.4 Absorption en rayons X ou en infrarouge moyen . . . . 162 6.4 Les raies gamma 163 7 Les poussieres interstellaires 167 7.1 Rougissement et extinction interstellaires 168 7.1.1 Generalites 168 7.1.2 Extinction et modeles de poussieres 175 7.1.3 Diffusion des rayons X par les poussieres 178 7.2 L'emission des poussieres interstellaires 179 7.2.1 Les grains a 1'equilibre thermique 179 7.2.2 Les petits grains hors d'equilibre thermique 184 7.2.3 Les bandes d'emission aromatiques dans 1'infrarouge moyen 189 7.2.4 Les tres petits grains 195 7.2.5 Les gros grains 195 7.3 Modeles globaux 196 7.4 Absorptions infrarouges et manteaux de glace 197 7.5 La fluorescence infrarouge 200 8 Chauffage et refroidissement du gaz interstellaire 201 8.1 Processus de chauffage 202 8.1.1 Generalites, temps de thermalisation 202 8.1.2 Chauffage par rayons cosmiques de basse energie . . . . 206 8.1.3 Chauffage par effet photoelectrique sur les grains . . . . 210 8.1.4 Chauffage par ionisation des atomes et des molecules . .215 8.1.5 Chauffage par rayons X 216 8.1.6 Chauffage chimique 217 8.1.7 Chauffage par echange thermique grains/gaz 219 8.1.8 Chauffage hydrodynamique et magneto-hydrodynamique 221 8.2 Processus de refroidissement 222 8.2.1 Refroidissement par les raies de structurefine 222 8.2.2 Refroidissement par excitation collisionnelle de raies permises 225 8.2.3 Refroidissement par recombinaisons electrons-ions . . . 228 8.2.4 Refroidissement par les poussieres 229 8.3 Equilibre et stabilite thermiques 229 8.3.1 Milieu atomique 229 x Table des matieres 8.3.2 Gaz ionise chaud 234 8.3.3 Regions HII 234 8.3.4 Nuages moleculaires 235 9 Chimie interstellaire 237 9.1 Chimie en phase gazeuse 237 9.1.1 Reactions ion-molecule 238 9.1.2 Association radiative 239 9.1.3 Recombinaison dissociative 241 9.1.4 Reactions neutre-neutre 241 9.1.5 Photodissociation et photo-ionisation 242 9.2 Chimie a la surface des grains de poussiere 244 9.2.1 Formation de H2 sur les grains 245 9.2.2 Formation d'autres molecules sur les grains 247 9.3 Chimie a 1'equilibre et cinetique chimique 249 9.4 Quelques resultats 250 9.4.1 Chimie dans le milieu interstellaire diffus 251 9.4.2 Chimie dans les nuages moleculaires denses 253 10 Les regions de photodissociation 259 10.1 Presentation generale 259 10.2 Physico-chimie 262 10.2.1 Penetration du rayonnement UV lointain et photodissociation 262 10.2.2 Chimie 263 10.2.3 Mecanismes de chauffage 263 10.2.4 Mecanismes de refroidissement 265 10.3 Modeles stationnaires 266 10.4 Modeles hors d'equilibre 274 11 Les chocs 277 11.1 Equations de la dynamique du gaz 277 11.1.1 Fluide unique 277 11.1.2 Milieu multi-fluide 279 11.2 Les differents types de chocs 280 11.2.1 Chocs sans champ magnetique 282 11.2.2 Chocs avec champ magnetique 286 11.2.3 Chocs multi-fluides dans un gaz faiblement ionise . . . . 287 11.3 Chocs non stationnaires 290 11.4 Physico-chimie dans les chocs 292 11.5 Rayonnement et diagnostic des chocs 295 11.6 Instabilites dans les chocs 298 Table des matieres xi 12 Applications des chocs 301 12.1 Les restes de supernova 301 12.1.1 Phase d'expansion libre 302 12.1.2 Phase adiabatique 303 12.1.3 Phase d'expansion isotherme, ou radiative 306 12.1.4 Evolution des plerions 307 12.1.5 Expansion des restes de supernova dans un milieu inhomogene 308 12.1.6 Rayonnement non thermique des restes de supernova . . 309 12.2 Les bulles 311 12.3 Dynamique des regions HII 314 12.3.1 Le front d'ionisation 314 12.3.2 Le choc 317 12.3.3 Globules neutres dans une region HII 319 12.3.4 Evolution des regions Hn 323 12.4 Acceleration des rayons cosmiques 325 12.4.1 Propagation des particules chargees dans un champ magnetique 326 12.4.2 Diffusion des particules chargees dans un milieu desordonne 330 12.4.3 Pertes d'energie 333 12.4.4 Acceleration des particules chargees 334 13 La turbulence interstellaire 345 13.1 Structure en vitesse et fragmentation 345 13.2 La turbulence incompressible 349 13.2.1 Apparition de la turbulence 349 13.2.2 La turbulence developpee de Kolmogorov 350 13.2.3 Viscosite et pression turbulentes 352 13.2.4 L'intermittence 354 13.3 La turbulence dans le milieu interstellaire 355 13.4 Quelques effets de la turbulence interstellaire 357 13.4.1 Transport turbulent et chimie interstellaire 357 13.4.2 L'intermittence, source de chauffage pour le gaz 361 14 Equilibre, effondrement, formation des etoiles 367 14.1 Stabilite et instabilite : le theoreme du viriel 367 14.1.1 Forme simple du theoreme du viriel, sans champ magnetique et sans pression exterieure 367 14.1.2 Longueur et masse de Jeans 369 14.1.3 Forme generate du theoreme du viriel 372 14.1.4 Stabilite de 1'equilibre du viriel 374 14.1.5 Distribution de densite dans un nuage spherique a 1'equilibre 378 xii Table des matieres 14.1.6 Stabilite et instabilites en presence d'un champ magnetique 380 14.1.7 Couplage du gaz au champ magnetique : la diffusion ambipolaire uploads/Geographie/ le-milieu-interstellaire.pdf