Emmanuel Dartois: “Los resultados de experimentos específicos de astrofísica de laboratorio guían el desarrollo de las observaciones astronómicas”

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E.DartoisEntrevista con Emmanuel Dartois, investigador del CNRS en el Instituto de Astrofísica Espacial (Institut d’Astrophysique Spatiale) en Orsay, Francia. Sus intereses en investigación incluyen el estudio de la química-física del medio interestelar, de los discos circunestelares y de la nebulosa protosolar en un contexto interdisciplinario: experimentos de laboratorio para producir análogos de polvo interestelar en ambientes astrofísicos simulados, observaciones astronómicas, reducción de datos y modelado de polvo.

¿Cuál es el papel de la astrofísica de laboratorio en la Astrofísica?

La astrofísica de laboratorio es una de las claves para interpretar la gran cantidad de datos astronómicos recopilados por telescopios terrestres u observatorios espaciales.  La astrofísica abarca, por definición, una gama muy grande de ambientes físicos y químicos, desde densidades y temperaturas muy altas a muy bajas, medios neutros a ionizados…

La comprensión de los fenómenos observados y la especificidad de los entornos espaciales requieren del desarrollo de experimentos de laboratorio específicos y no sólo la extensión de instalaciones existentes, sino desarrollados de forma exclusiva para duplicar los medios astrofísicos. Ahora es posible producir y estudiar, en el laboratorio, la materia extraterrestre observada remotamente o recogida en nuestro Sistema Solar. Los resultados de experimentos dedicados de astrofísica de laboratorio guían el desarrollo de observaciones astronómicas.

¿Cuál es su campo de investigación actual?

Mi investigación se desarrolla en el marco de lo que se llama la física y la química del medio interestelar, el medio en el que pueden nacer estrellas, incluyendo el estudio de la composición de discos circunestelares, los “residuos” de la formación estelar, los ladrillos básicos, importantes por ser el origen de la formación de sistemas solares jóvenes como el nuestro. Esta investigación se realiza en un contexto interdisciplinar, combinando experimentos de laboratorio, con el objetivo de producir análogos de polvo interestelar, seguir su evolución dentro de entornos astrofísicos simulados en el laboratorio, y confrontar las observaciones astronómicas a partir del análisis de datos y la inclusión en los modelos del polvo.

En el contexto de la astrofísica de laboratorio, ¿cuáles son los principales avances en los últimos años?

Centrándonos en experimentos de laboratorio, la posibilidad de medir con precisión en el laboratorio los mecanismos físico-químicos que involucran a especies y partículas de polvo relevantes desde un punto de vista astronómico. El entorno radiativo astrofísico puede considerarse “hostil”, con luz ultravioleta de estrellas luminosas y partículas cósmicas (un flujo de núcleos atómicos de alta energía y/partículas circulando en el vacío interestelar de la galaxia). En la última década, los experimentos de astrofísica de laboratorio han medido y limitado aún más cómo influyen en la evolución de la materia en el espacio.

Muchos trabajos destacados están relacionados con resultados de experimentos de laboratorio. Incluyen experimentos precisos que cuantifican, por ejemplo, mecanismos de fotodesorción (fotones energéticos ultravioleta que extraen moléculas de la superficie de los granos de polvo interestelar en las regiones densas de la galaxia). Se ha señalado el importante papel de la estructura de grandes moléculas o de pequeños granos de polvo carbonáceos gracias a correlaciones entre las observaciones astronómicas de líneas de emisión de poliaromáticos con las mismas variaciones medidas en análogos de laboratorio.

Otro punto a destacar viene de la confirmación en el espacio de la presencia de pequeñas cantidades de la molécula buckminsterfullereno, compuesta de carbono, con una estructura parecida a la de un balón de fútbol. Los estudios del polvo recopilado de materiales extraterrestres (meteoritos, partículas de polvo interplanetario) proporcionaron información sobre nuevas composiciones de materia orgánica compleja.

¿Qué resultados espera su comunidad en la próxima década?

Con el gran aumento en la sensibilidad de los observatorios astronómicos y de los experimentos de laboratorio, podremos recoger una cantidad creciente de información sobre la evolución de la materia en el espacio con una cuadrícula más fina. Probablemente sabremos más sobre la relación existente entre granos de polvo y “planetesimales” en los discos protoplanetarios gracias a los análogos producidos en el laboratorio, y sabremos hasta qué punto se incorporan o son totalmente reprocesados durante la fase que conduce a la formación de otros sistemas solares jóvenes. A esto se sumarán nuevos desafíos para la astrofísica de laboratorio.

La comunidad de la astrofísica de laboratorio también permanecerá atenta a las observaciones de los nuevos observatorios de alta precisión (nuevos o recientemente puestos en marcha), como ALMA y el sucesor del telescopio Hubble, el JWST, que traerá inesperadas y emocionantes observaciones que puede llevar a nuevos desarrollos experimentales.

¿Cuál es la importancia de esta reunión en Astrofísica desde un punto de vista europeo?

En general, el soporte experimental y la difusión de la astrofísica de laboratorio se coordinan a nivel nacional. La astrofísica de laboratorio es, en esencia, un campo interdisciplinar y requiere de una interacción, a mayor escala, con muchas otras comunidades científicas especializadas, incluyendo el nivel europeo.

Estas reuniones son importantes porque reúnen a los científicos para comunicar los resultados obtenidos en diferentes países. La construcción de una red a escala europea permite el intercambio de personas, la expansión de nuevas técnicas y compartir nuevas ideas entre los diferentes grupos de astrofísica y las instituciones. Estos encuentros también son relevantes para concienciar sobre la importancia de las actividades de laboratorio y su crucial contribución a la astrofísica.

Emmanuel Dartois at ECLA2016
Emmanuel Dartois at ECLA2016

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“The outcome of dedicated laboratory astrophysics experiments guides the development of astronomical observations”

Interview with Emmanuel Dartois, who works at the Space Astrophysics Institute (Institut d’Astrophysique Spatiale) in Orsay, France, as a CNRS research investigator. His research interests include the study of the physical-chemistry of the interstellar medium, circumstellar disks and protosolar nebula in an interdisciplinary context: laboratory experiments to produce interstellar dust analogues in simulated astrophysical environments, astronomical observations, data reduction, and dust modeling.

What is the role of molecular/laboratory astrophysics in astrophysics?

Laboratory astrophysics is one of the keystones to interpret the huge amount of increasing astronomical data collected by ground based telescopes or space observatories.  Astrophysics covers by definition a very large range of physical and chemical environments, from high to extremely low densities, hot to cold, neutral to ionized media. The understanding of the observed phenomena and the specificity of space environments require the development of dedicated laboratory experiments, and not only the extension of existing facilities, but truly dedicated to duplicating astrophysical media. It is now possible to produce and study, in the laboratory, the extraterrestrial matter observed remotely or collected in our solar system. The outcome of dedicated laboratory astrophysics experiments guides the development of astronomical observations.

What is your current research field?

My research is developed within the framework of what is called the physics and chemistry of the interstellar medium, the medium in which stars can be born, including the study of the composition of circumstellar disks, this “residual” of star formation, the building blocks so important as they are at the origin of the formation of young solar systems such as our.  This research is performed in an interdisciplinary context combining laboratory experiments aiming at the production of interstellar dust analogues, the monitoring their evolution within laboratory simulated astrophysical environments, the confrontation to astronomical observations, after data analysis and inclusion in dust modeling.

In the context of Laboratory Astrophysics, what are the main advances in recent years?

Focusing on laboratory experiments, the possibility to measure precisely in the laboratory detailed physico-chemical mechanisms involving astronomically relevant dust particles and species. The astrophysical radiative environment can be seen as “harsh”, with ultraviolet light from luminous stars, and cosmic particles (a flux of high-energy atomic nuclei and/particles circulating in the interstellar vacuum of the Galaxy). In the last decade laboratory astrophysics experiments have measured and further constrained how it influences the evolution of matter in space.

Many highlights are linked to laboratory experiments results. They include accurate experiments quantifing e.g. photodesorption mechanisms (energetic ultraviolet photons extracting molecules from the surface of interstellar dust grains in dense regions on the Galaxy). The role of the intimate large molecules/dust small carbonaceous particle structure have been pointed out thanks to correlations made between astronomical observations of polyaromatic emission lines with the same variations measured in laboratory analogues.

Another highlight comes from the confirmation in space of the presence of small amounts of the buckminsterfullerene molecule, made of carbon, with a structure like a football. The dust studies of collected extraterrestrial materials (meteorites, interplanetary dust particles) gave insight into new complex organic matter compositions.

What new results does your community expect in the next decade?

With the large increase in sensitivity of the astronomical observatories and laboratory experiments, we will be able to gather an increasing amount of information on the evolution of matter in space with a finer grid. We will probably discover more on the link existing between dust grains and “planetesimals” in protoplanetary disks, thanks to the analogues produced in the laboratory, and to what extend it is incorporated or fully reprocessed during the phase leading to the formation of other young solar systems. This will be accompanied by new challenges for the laboratory astrophysics.

The laboratory astrophysics community will also stay tuned to the observations from very recent or upcoming high performance observatories, such as ALMA and the Hubble telescope successor, the JWST, that will brings unexpected exciting observations driving new experimental developments.

What’s the relevance of this meeting in astrophysics from an European point of view?

The experimental support and outreach of laboratory astrophysics are generally coordinated at national levels. Laboratory astrophysics is by essence an interdisciplinary field and requires interacting with numerous other specialized scientific communities existing at a larger scale, including the European level.

Such meetings are important in bringing together the scientists and communicating the results obtained in different countries.  The building of a European-scale network allows exchange of persons, propagating new techniques and sharing new ideas among different astrophysical groups and institutions. Such assemblies are also relevant to raise awareness about the importance of laboratory activities and their crucial contribution to astrophysics.

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