Thèmes Scientifiques
Nos objectifs scientifiques s'inscrivent dans le contexte des instruments d'observation et des missions d'exploration du système solaire. Nous ouvrons en laboratoire des voies d'analyses et de prédiction des processus en jeu dans les milieux astrophysiques.
La physico-chimie des milieux interstellaire et interplanétaire, au travers des instruments d’observation (JWST, NOEMA, ALMA) et les expériences spatiales ayant pour cible des objets primitifs permettront de poser le problème de l’évolution des disques protoplanétaires avant la formation des planètes, du devenir des poussières interstellaires, de la composition chimique des comètes et des astéroïdes et de la relation entre ces corps. Nous poursuivons le développement d'approches convergentes entre astrophysiciens, chimistes, physiciens nucléaires et cosmochimistes, usant de méthodes analytiques variées, permettant une étude complète des solides extraterrestres. L’analyse d’échantillons extraterrestres divers et l’étude d'analogues de laboratoire couplée aux observations « in-situ » (mission Rosetta) permettront de contraindre les liens de filiation entre les matières interstellaire, cométaire et interplanétaire.
Le choix stratégique est de développer : (i) des analyses spectroscopiques et physico-chimiques par des expériences locales, et s'appuyer pour étendre nos capacités d'analyses à d'autres domaines spécialisés sur (ii) les TGE (Très Grands Equipements) et (iii) les collaborations.
1. Processus énergétiques, réflectance et lien avec la matière extraterrestre
En parallèle aux études sur la photolyse UV, nous développons :
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une activité sur l'irradiation ionique à basse (à Orsay) et haute énergie (au GANIL, Caen), pour comprendre les processus d'évolution énergétiques (microphysique) et thermiques (20 – 300 K), et leurs liens avec la production et l'évolution de la matière organique extraterrestre.
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l'irradiation de glaces, météorites et micrométéorites riches en carbone, et leur analyse par réflectance VIS-NIR (projet INGMAR) (Lantz et al. 2018) and FIR-MIR reflectance (Brunetto et al. 2018 and 2020), pour étudier l'altération spatiale. (Altération de surface des petits corps du système solaire par le vent solaire et le rayonnement cosmique).
Nous étudions l’évolution des spectres de micrométéorites avant et après irradiation pour construire des liens directs entre les familles de micrométéorites et les petits corps. Cette analyse est menée en parallèle avec l'étude de la destruction des molécules à la surface des corps parents et la formation d'un manteau enrichi en organiques. L'irradiation de mélanges N2:CH4 permettra d'explorer une voie de formation des organiques observés dans les micrométéorites ultra-carbonées de la collection du CSNSM (Dartois et al. 2013). Ces activités renforceront la collaboration entre l'IAS et le CSNSM à Orsay et fourniront un support indispensable à l'interprétation des données des missions spatiales qui ont pour cible des objets primitifs (Rosetta, New Horizons, OSIRIS-REx, Hayabusa 2,). L’application aux observations se fera en collaboration avec l’Observatoire de Paris-Meudon. À plus long terme, la réalisation d'une ligne d'irradiation « astro » fournira un support à la mission JUICE (ESA).
2. Influence des rayons cosmiques sur la structure des glaces
La modification de l'état physique des solides est extrêmement importante dans beaucoup de processus astrophysiques (par ex. la chimie interstellaire qui mène à la formation de H2). L'état physique de la glace (amorphe, cristalline, métastable) résulte des interactions avec les ions et les photons. Nous menons des expériences d'irradiation ionique sur des dépôts de glace d’eau, ayant comme but la simulation directe de l'irradiation cosmique. Nous utilisons plusieurs faisceaux d’ions d’énergie très élevée fournis par le GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, Caen), pour déterminer la section efficace sur un large éventail de perte d'énergie.
3. Interaction surfaces silicatées-gaz
La coexistence de gaz et de matière solide silicatée dans le MIS nous fait naturellement envisager un rôle commun joué par ces deux composantes lors de la formation des planètes, nous avons alors mis en place l’expérience PRONEXT. Celle-ci vise à comprendre l’interaction gaz/grains de silicates dans la nébuleuse primitive, à juger du rôle qu’ont pu jouer les silicates dans l’apport des volatils sur la surface de la Terre primitive. Notre approche consiste à comparer des scenarii possibles de formation de volatils (irradiation versus adsorption à la surface des silicates), et à étudier « in-situ » leurs cinétiques de formation. Une première expérience de validation de notre dispositif a consisté en l’étude de l’évolution d’un film de silicates dans une atmosphère riche en vapeur d’eau à température ambiante. Les résultats préliminaires obtenus montrent que les silicates ont un taux d'hydroxylation de ~7% (Djouadi et al. 2013), nous déduisons alors que la formation des hydroxyles OH dans les silicates est ~3 fois plus efficace par adsorption d'eau à température ambiante que par irradiation par des protons à basses énergies (Djouadi et al. 2011).
4. Continuum de production d'analogues à la matière carbonée du MIS
Les manteaux de glace couvrant les grains de poussière interstellaire sont présents dans les nuages moléculaires denses. Ces environnements astrophysiques sont exposés aux rayons cosmiques et aux photons UV, conduisant à une évolution physico-chimique de la matière qui peut être simulée en laboratoire. L’étude de l'évolution de ces glaces vers des matériaux organiques réfractaires plus complexes qui seront incorporés dans la nébuleuse protosolaire sont parmi les objectifs de notre activité à venir. De plus, l’analyse de la matière organique des cosmomatériaux montre une diversité parfois inattendue qui pousse ainsi à explorer une plus grande gamme de matériaux carbonés et de conditions de production. Nous allons poursuivre le travail entrepris sur la production d’analogues et leur analyse.
4. a. Elargissement de la gamme des films et résidus produits
Les a-C:Hs produits par plasma dans notre équipe constituent l'un des meilleurs analogues spectroscopiques à la poussière observée en absorption dans le milieu diffus. Nous souhaitons dans l'avenir produire de manière contrôlée des carbones amorphe avec les mêmes montages expérimentaux dans lesquels nous insérerons des hétéroatomes, afin de comprendre leur influence sur la structure intime du matériau. Nous poursuivrons et étendrons la collaboration avec l'ISMO sur la fabrication et analyse de suies par combustion sous vide à l'aide d'une flamme plate (expérience Nanograins/ISMO). Ces suies constituent des analogues à la poussière interstellaire très proche de la phase la plus aromatique et assurent une continuité dans les types de structures de grains étudiés. La production de résidus de glaces par irradiation avec des rayons cosmiques simulés sur accélérateurs est une autre voie d'exploration de la diversité des structures des matériaux soumis à des environnements astrophysiques. Dans des expériences précédentes réalisées au GANIL en collaboration avec G. Muñoz-Caro, nous avons démarré une étude de la complémentarité de l'irradiation par ions cosmiques avec la photolyse UV de glaces interstellaires. Nous allons poursuivre dans cette direction et comparer les effets des irradiations par ions lourds (0,3-1 MeV/u) à ceux des ions de basse énergie (keV) et à ceux des photons UV, sur la structure des glaces et sur leur composition chimique. Les résultats seront également reliés aux observations à distance, par télescope ou satellite, de nuages interstellaires.
4. b. Caractérisation complète de ces différents matériaux
Analyses en ToF-SIMS (IPNO) et support à COSIMA
Une meilleure compréhension de la composition organique de la matière cométaire est l'un des résultats les plus attendus de la mission Rosetta. Les organiques des comètes, tout comme les chondrites carbonées, sont composées de molécules et de macromolécules solubles et insolubles. La composante macromoléculaire insoluble des chondrites carbonées a été extensivement étudiée. Sa structure chimique s'apparente à certains carbones amorphes hydrogénés (a-C:H) que nous produisons en laboratoire par des simulations expérimentales de glaces riches en hydrocarbures. Ces composantes, ainsi que des carbones amorphes riches en azote sont d'un grand intérêt astrophysique, car les a-C:H avec très peu d'hétéroatomes (O et N), sont observés dans le MIS, et, plus récemment, une phase riche en azote a été mesurée dans des micrométéorites collectées en Antarctique. Avec COSIMA, il sera intéressant de se concentrer sur la composante macromoléculaire de la matière carbonée cométaire, afin de dresser un bilan de leur structure chimique et leur composition. Les mesures qui seront effectuées par COSIMA pourront être analysées à l’aune des mesures ToF-SIMS que nous effectuons sur des analogues et des météorites, pour contraindre les liens possibles entre organiques du MIS et de la nébuleuse protosolaire.
Analyse de composante macromoléculaire soluble
Jusqu’ici les études menées pour caractériser la matière organique soluble se sont focalisées sur la recherche de molécules organiques relativement petites (par ex. acides aminés). Les techniques d’analyse ex-situ utilisées s’appuient surtout sur la chromatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS) et sur des méthodes de préparation des échantillons n’hésitant pas à les altérer et/ou à les détruire (extraction par hydrolyse acide). Tout en ayant un intérêt prébiotique, le résultat de ces travaux ne donne qu’une idée vague des mécanismes chimiques ayant réellement lieu lors de l’irradiation UV ou ionique des analogues de glaces interstellaires et leur chauffage. Pour avoir accès à cette chimie, il est nécessaire d’analyser et de caractériser ce qu’elle produit réellement, c'est-à-dire, des macromolécules, composants parents qui, lorsqu’ils sont hydrolysés, sont altérés et fragmentés et relâchent entre autres, des acides aminés. L’enjeu est donc important et représente un certain défi expérimental puisqu’il nécessite la mise en place d’un protocole expérimental nouveau et assez peu exploré jusqu’ici. Toutefois, la collaboration entamée avec le LETIAM, ainsi que les premiers tests et expériences menés, sont encourageants et nous confirment dans l’approche adoptée. Notre objectif est donc de poursuivre ce travail de physico-chimie analytique pour arriver à caractériser de plus en plus précisément les composantes macromoléculaires solubles de divers mélanges organiques d’intérêt astrophysique.
5. La spectroscopie des analogues vers l'UV-VUV
Les matériaux carbonés produits dans notre équipe, dont les spectres sont en excellent accord avec les observations dans le domaine IR, doivent être quantifiés sur l'ensemble du domaine spectral. Le domaine de l'UV lointain (190 - 250 nm) et de l'UV du vide (100 -190 nm) a été peu étudié, mais il est d'une grande importance pour les matériaux carbonés, car il couvre les transitions électroniques associées aux liaisons sp3 et sp2 du carbone, et représente la deuxième signature spectroscopique astrophysique observée à comparer à ces analogues. Les mesures VUV-UV permettront d'obtenir les constantes optiques qui rentrent dans les modèles de transfert de rayonnement et servent à la communauté astrophysique. De telles mesures détermineront la section efficace d'interaction avec les photons énergétiques menant à la photochimie des surfaces, une comparaison indispensable pour évaluer les importances relatives des phénomènes d'irradiation ionique versus photoniques à basse énergie pour tous ces matériaux. La caractérisation des analogues de poussières interstellaires et cométaires produits par notre équipe et collaborateurs servira également à l'établissement des constantes optiques de matériaux extraterrestres irradiés à basse énergie.
6. Structuration physico-chimique 3D de la matière primitive
Les corps primitifs sont issues d’un assemblage complexe présentant une forte hétérogénéité à la fois à l’échelle micrométrique et nanométrique. Grâce au développement de techniques de caractérisation 3D, nous pouvons caractériser l'intérieur d'échantillons très précieux de manière non destructive. Nous nous intéressons à la fois aux propriétés physiques (porosité, assemblage des minéraux, fracturation) et chimiques (localisation et corrélation des différentes phases minéral/organiques). Ces études 3D nous permettent de mieux contraindre les processus pré et post-accrétionels subit sur leur corps parents (Dionnet et al., 2020 and 2023) .