La poussière intervient à tous les niveaux de calcul du code PDR de Meudon : dans le transfert de rayonnement par l’absorption et la diffusion de la lumière, dans le bilan thermique, notamment par l’intermédiaire de l’effet photoélectrique, et dans la chimie, par les réactions se produisant à la surface des grains de poussière. Deux niveaux de description de la poussière sont disponibles dans le code, que nous détaillons séparément dans les deux sections à venir : une version standard qui permet une description relativement simple de la population des grains de poussière, et une version en couplage avec le code DustEM offrant plus de finesse dans le détail des populations de grains de poussière.
5.2.1 Version standard
Dans sa version standard, le code PDR de Meudon permet une description simple de la population des grains de poussière. Une distribution de taille est choisie et utilisée pour le transfert de rayonnement, le bilan thermique et la chimie sur les grains.
5.2 Description de la poussière dans le code PDR de Meudon 55 La distribution de taille des grains
La distribution de taille est modélisée par une loi de puissance à la façon de Mathis
et al. (1977). Il incombe à l’utilisateur de fournir l’exposant de la loi de puissance, ainsi que les rayons minimal et maximal. En revanche, la géométrie, supposée sphérique, des grains ainsi que leur composition chimique (mélange de graphite et de silicates) sont fixées dans le code source, hors de portée d’un utilisateur standard.
Sur le plan numérique, la population de grains est discrétisée sur assez peu de tailles (maximum 12). Les quantités qui résultent d’une intégration sur la distribution de tailles des grains sont restituées par la méthode de quadrature de Gauss qui permet d’exprimer l’intégrale d’une fonction comme la somme de quelques valeurs prises par cette fonction, pondérées par des coefficients bien choisis.
Les grains et le transfert de rayonnement
Dans le calcul du transfert de rayonnement, la section efficace d’absorption des grains
est calculée à partir des données3 deLaor et Draine (1993), qui ont été déterminées à
partir de l’analyse des propriétés d’extinction de particules sphériques de graphite et de silicates de rayons compris entre 1 nm et 10 µm. Un mélange contenant 30% de silicates et 70% de graphite est considéré par la routine MIXGRSI (fichier PXDR_DRAINE_DUST.f90) pour calculer les grandeurs utiles au calcul de transfert de rayonnement (section
efficace d’absorption Qabs, section efficace de diffusion Qsca et facteur d’anisotropie
g = �cosθ�) pour chaque taille de grain. C’est la variable amix, définie et allouée dans
PXDR_PROFIL.f90 qui permet de régler la fraction de silicates.
L’émission de la poussière
La température des grains de poussière est calculée à l’aide du bilan énergétique pour un grain qui absorbe les photons UV incidents et IR produits localement, et émet dans les domaines IR et micro-ondes. Ce bilan utilise le champ de rayonnement calculé
par le transfert de rayonnement et les sections efficaces d’absorption de Laor et Draine
(1993) pour chaque taille de grain. L’émission est alors calculée pour chaque taille de
grain par la loi de Kirchhoff pour un corps noir pondérée par la surface du grain, puis intégrée sur la distribution de taille par la méthode de quadrature de Gauss. Enfin, la
courbe d’extinction de Fitzpatrick et Massa (e.g. Fitzpatrick et Massa, 1990) choisie
par l’utilisateur (variable los_ext) est utilisée pour tenir compte de l’extinction locale par la poussière. Soulignons que l’extinction par la poussière n’est pas calculée de façon auto-cohérente, puisque la courbe d’extinction de Fitzpatrick et Massa n’est pas utilisée pour le calcul de transfert de rayonnement. L’émission, la diffusion et l’absorption par la poussière en chaque point du nuage sont stockées dans la variable du_prop et calculées
dans la routine DUST_PROPERTIES du fichier PXDR_DUSTEM.f904
3. On peut trouver ces données dans le fichier data/Grains/gr_GS_85.dat.
4. Le nom du fichier ne signifie pas que le programme DustEM y est utilisé, mais seulement que l’émission de la poussière y est calculée.
Les grains et l’effet photoelectrique
La charge des grains et leur contribution au chauffage du gaz par effet photoélectrique sont calculées par la routine FBTH dans le fichier PXDR_CHEMISTRY.f90 suivant le modèle de Bakes et Tielens (1994). Pour chaque taille, le code PDR utilise un grain sphérique graphitique moyen contenant un nombre d’atomes de carbone déduit du rayon du grain et de sa masse volumique moyenne. Il ne tient pas directement compte du choix de la composition chimique (fraction de silicates amix), dans la mesure où la variable amix n’intervient que par l’intermédiaire de la masse volumique moyenne des grains, alors que l’effet photoélectrique sur les silicates diffère notablement de celui sur le graphite en raison notamment d’un potentiel d’ionisation plus élevé (work function ≈ 8 eV contre
4.4 eV pour un grain graphitique sphérique, Weingartner et Draine,2001b).
Les grains et la chimie catalytique
Certaines réactions se déroulent à la surface des grains de poussière. Leur description implique de modéliser la physisorption ou la chimisorption d’atomes ou de molécules sur les grains. Le nombre de sites disponibles est un paramètre clef et dépend directement de la distribution de taille des grains et de la taille typique d’un site. Ce dernier paramètre est intégré au code source du modèle via la variable dsite et fixé à 2.6 Å, indépendamment de la nature du grain.
5.2.2 Couplage avec DustEM
Le modèle DustEM (Compiègne et al., 2011) est destiné au calcul de l’émission des
grains de poussière de manière autocohérente avec la courbe d’extinction. L’utilisateur choisit une distribution de taille et de composition des grains par l’intermédiaire du fichier DUSTEM_PDR/LES_DAT/GRAIN.DAT. Il est possible de choisir autant de composantes qu’on le souhaite parmi des PAH neutres ou ionisés, des grains de carbone amorphe ou de silicates et de régler individuellement leur abondance et leur distribution suivant une loi analytique ou suivant une distribution fournie via un fichier d’entrée.
Le modèle s’inscrit dans la lignée du modèle de Désert et al.(1990). La distribution
de température est calculée pour chaque type de grain à partir du champ de rayonnement issu du transfert de rayonnement du code PDR. Les émissivités sont calculées à partir des propriétés optiques spécifiques à chaque type (nature et taille) de grain tabulées dans les fichiers du répertoire les_QABS. Le détail de l’origine des propriétés des grains (capacité calorifique, sections efficaces d’absorption ou de diffusion) est discuté par
Compiègne et al. (2011).
Le module DustEM couplé au code PDR de Meudon permet ainsi une description plus fine de l’émissivité et de l’extinction de la poussière. Cependant, pour le moment, les autres processus impliquant la poussière ne sont pas traités au même niveau de raffinement et conservent la description standard présentée à la section précédente. C’est le cas par exemple de l’effet photoélectrique ou des réactions chimiques à la surface des grains.