Rayons cosmiques et turbulence MHD compressible dans le milieu interstellaire – COSMIS

Comprendre la physique du milieu interstellaire (MIS) est une étape nécessaire de notre connaissance de l’évolution des galaxies et de la formation des étoiles. Ces deux processus fondamentaux sont couplés l’un à l’autre par l’ensemble des phénomènes physiques qui ont lieu dans le MIS tels que la turbulence magnéto-hydrodynamique (MHD) compressible, les rayons cosmiques ou encore les explosions de supernovae. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés au cours des dernières décennies, un grand nombre de questions reste sans réponse. Par exemple, la structure du MIS, la nature et les sources de la turbulence interstellaire ou l’exacte abondance et influence des rayons cosmiques sur le MIS demeurent insuffisamment comprises. Plusieurs projets observationnels internationaux tels qu’HERSCHEL, PLANCK, HESS, FERMI, ALMA et d’autres, produisent, ou produiront bientôt un grand nombre de données qui apporteront des nouvelles contraintes sur ces questions importantes. La grande diversité de ces données hautement dégénérées et complémentaires, aussi bien du point de vue des techniques observationnelles que de celui des processus physiques, requière le développement en parallèle d’une modélisation ambitieuse utilisant les développement les plus récents des schémas numériques et des moyens de calcul.

Le projet COSMIS revêt deux objectifs principaux. Tout d’abord, clarifier certaines des questions liées à la dynamique du MIS diffus en réalisant une série de simulations MHD à haute résolution qui incluront divers processus tels que les rayons cosmiques et les restes de supernovae. Ensuite, constituer un cadre théorique avec lequel les diverses observations pourront être minutieusement comparées et interprétées. A cette fin, les résultats de simulations seront rendus disponibles grâce à une base de donnée accessible au travers d’une interface web. Toutes les compétences requises pour réaliser le projet COSMIS sont rassemblées dans l’équipe qui regroupe des chercheurs de trois instituts, le LERMA (observatoire de Paris), le SAp (CEA) et le LPTA (université de Montpellier). L’équipe comprend des théoriciens de la dynamique du MIS, des théoriciens de l’accélération des rayons cosmiques et de leur propagation, des experts de simulations numériques lourdes de dynamique des fluides ainsi que des observateurs experts des processus du MIS incluant les restes de supernovae et impliqués dans tous les instruments importants que la communauté internationale utilise et développe.

Deux types de simulations numériques complémentaires seront réalisés. Tout d’abord des simulations idéalisées utilisant des conditions aux limites périodiques et un forçage dans l’espace de Fourier. Ensuite, des simulations incluant des processus astrophysiques tels que la stratification, les supernovae ou encore les rayons. L’objectif des premières sera d’explorer en détail les propriétés fondamentales de la turbulence MHD compressible qui se développe dans le MIS alors que les secondes sont plus spécifiques à certaines situations astrophysiques et permettront des comparaisons détaillées avec diverses données observationnelles. La propagation des restes de supernovae dans le MIS turbulent, ainsi que l’évolution du MIS aux grandes échelles galactiques feront l’objet d’une attention particulière. Toutes ces simulations utiliseront les développements les plus récents des schémas numériques appropriés au traitement adéquat de la MHD supersonique ainsi que des moyens de calculs puissants disponibles en France. Dans une première étape, les simulations numériques seront utilisées pour étudier la propagation des rayons cosmiques dans un MIS réaliste, à grande échelle mais aussi aux échelles proches des nuages moléculaires. Ensuite, dans une seconde étape, des simulations bifluides couplant de manière auto-cohérente le gaz et les rayons cosmiques seront réalisées. Les résultats de simulations seront également utilisés pour calculer des observations synthétiques.