Observations

Expérience PIRENEA

PIRENEA (Piège à Ions pour la Recherche et l'Etude de Nouvelles Espèces Astrochimiques) est une expérience d'astrophysique de laboratoire originale destinée à étudier la physico-chimie de macromolécules et nanograins en ambiance interstellaire.

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General view of the PIRENEA set-up

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View of the ion trap and internal cryogenic shield

 
  • Equipe Scientifique : Christine Joblin (DR CNRS),  Hassan Sabbah (MdC UPS)
  • Equipe Technique : Anthony Bonnamy (IR, CNRS-OMP), Loïc Noguès (AI, CNRS), David Murat (IE, CDD), Odile Coeur-Joly (IR, CNRS)

Objectifs :

Les conditions de l’espace interstellaire sont très différentes des conditions habituelles du laboratoire. Elles se caractérisent par un vide très poussé (50-106 atomes/cm3) et des températures qui peuvent être très basses (10-50 K). La physico-chimie dans ces conditions extrêmes met en jeu des processus lents comme le refroidissement infrarouge, la dissociation près du seuil et l’association radiative. Leur étude en laboratoire nécessite de faire appel à des techniques de pièges électromagnétiques ou d'anneaux de stockage afin d'accéder aux temps longs qui sont pertinents pour la physico-chimie interstellaire. Le dispositif PIRENEA comprend une cellule à résonance cyclotronique refroidie ainsi qu'un certain nombre d'interfaces photophysiques et chimiques qui permettent d'étudier la physico-chimie de macromolécules et nanograins en ambiance interstellaire.

A ce jour les espèces étudiées sont les molécules polycycliques aromatiques hydrogénées (PAH) et espèces dérivées (agrégats carbonés, fullerènes, agrégats de PAH, complexes de PAH avec Fe et Si). Il s'agit de mieux cerner la nature de ces espèces dans les milieux astrophysiques en étudiant leurs propriétés physico-chimiques et spectroscopiques. Renfermant jusqu'à 20% du carbone de notre galaxie, ces espèces peuvent jouer un rôle important dans l'évolution des objets astronomiques. Les données de laboratoire sont fondamentales pour la valorisation scientifique de données obtenues dans le domaine IR-mm avec des télescopes au sol (VLT, IRAM, ALMA…) et spatiaux/ballons (ISO, Spitzer, Herschel, SOFIA…). Il y a également un champ d'application dans le domaine UV-visible (analyse de la courbe d'extinction UV, des bandes diffuses interstellaires, émission rouge étendue).

Contexte local et collaborations :

L’expérience PIRENEA fait partie de la plateforme nanograins (PIRENEA-ESPOIRS) de l'IRAP/OMP et des activités d'astrophysique de laboratoire soutenues par le Programme National de Physique et Chimie du Milieu Interstellaire (http://www.pcmi.univ-montp2.fr/) de l'INSU-AA/CNRS. Son exploitation scientifique fédère différentes disciplines (astrophysique / chimie / physique). Elle bénéficie au niveau toulousain d'actions d'animation scientifique: l'Action Scientifique Transverse Molécules et grains : du laboratoire à l’Univers de l’Observatoire Midi-Pyrénées (2011-2015) et le chantier Plasmas poussiéreux et poussières cosmiques du RTRA Sciences et Technologies pour l’Aéronautique et l’Espace (2013-2014) en collaboration avec les laboratoires LCPQ-IRSAMC, LCAR-IRSAMC et LAPLACE de l’Université Paul Sabatier Toulouse III. Ces collaborations scientifiques s'étendent au niveau national avec l'ISMO (Orsay), le Synchrotron SOLEIL, l'ILM (Lyon) ainsi qu'au niveau européen et international (CSIC Madrid, Observatoire de Cagliari, Université d'Ottawa, Université de Cologne).

Contrats récents :

  • ERC Synergy, Nanocosmos (2014-2020)
  • Projet du RTRA STAE, Processus clés dans la croissance des poussières en réacteurs plasmas et dans les étoiles  (2014-2017)
  • ANR-2010-BLAN-0501, Propriétés des PAH en phase gazeuse pour le milieu interstellaire (GASPARIM) (2010-2014)
  • FEDER n°34172 Développement de l’instrumentation de l’Observatoire Midi-Pyrénées (2009-2011)

Description :

Le dispositif PIRENEA combine les performances d’un instrument de spectrométrie de masse à résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourier (FT-ICR MS) avec un environnement cryogénique. Les conditions de température (T ~ 35 K dans le piège à ions) et de pression (P < 10-10 mbar) atteintes dans ce dispositif permettent de réaliser des expériences dans des conditions qui s'approchent de celles du milieu interstellaire. Cette technique permet aussi de sélectionner dans la cellule ICR les espèces d’intérêt (rapport m/z donné) par éjection sélective et de mener des études sur les ions isolés. Les espèces sont piégées sous l'action conjuguée d'un champ magnétique et d'un champ électrique quadripolaire. L'expérience se compose donc d'un aimant supraconducteur (5 Tesla), d'une enceinte à ultravide comprenant des écrans cryogéniques, d'un dispositif de désorption/ionisation laser pour la production des ions et d'une électronique d'excitation/ détection pour leur analyse. D'autres interfaces sont couplées à la partie centrale de l'expérience afin de permettre des études de physico-chimie (photodissociation, réactivité chimique...) et de spectroscopie: laser accordable OPO, lampe spectrale à arc Xe, rampe à gaz, four à PAH, source d'électrons, source d'H atomique.

Principle_Pirenea

Scheme of the PIRENEA set-up

Thèses :

  • Photophysique des molécules polycycliques aromatiques hydrogénées d’intérêt interstellaire avec l’expérience PIRENEA, Francesca Useli-Bacchitta, Université de Toulouse [UPS], 19/11/2009.
  • Le dispositif PIRENEA dans l’étude des interactions gaz/grain dans la chimie interstellaire : mise en place d’une procédure expérimentale, Natacha Bruneleau, Université de Toulouse [UPS], 27/09/2007.
  • Montage et qualification de l'expérience PIRENEA. Photophysique des PAHs interstellaires: simulations et mesures expérimentales, Catherine Pech, Université de Toulouse [UPS], 14/12/2001.
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