Caractérisation de la composante moléculaire aromatique des analogues de poussière cosmique utilisant le dispositif AROMA: extension à l’étude des météorites

Doctorant : Mickaël CARLOS

Directeurs : Hassan SABAH et Christine JOBLIN

Début de thèse : Octobre 2016

Groupe thématique : MICMAC

L’essentiel de notre connaissance sur la composition et l’évolution chimique de la matière interstellaire provient de l’analyse des observations astronomiques. Les analyses en laboratoire des météorites, des poussières interplanétaires et des échantillons ramenés par les missions spatiales sont le seul moyen d’obtenir une information directe sur cette matière interstellaire en sélectionnant les grains pré-solaires dans ces échantillons. Ce type d’analyse nous permet de mieux comprendre l’origine et l’évolution de la matière organique durant le transport des enveloppes circumstellaires des étoiles en fin de vie vers le milieu diffus et leur incorporation dans les nuages moléculaires, berceaux d’étoiles, et les disques protoplanétaires.

Le projet européen ERC NANOCOSMOS (CNRS/CSIC) a pour objectif d’avancer dans la compréhension physico-chimique de la formation des poussières cosmiques en combinant le développement de dispositifs d’astrophysique de laboratoire innovants avec des observations astronomiques en particulier à haute résolution spatiale et des modèles chimiques. Dans le cadre de ce projet, nous développons un nouvel instrument combinant une technique d’imagerie, de désorption et ionisation avec deux lasers, à un piège à ions couplé à un spectromètre de masse à temps de vol. L’objectif de ce dispositif AROMA (Astrochemistry Research of Organics using Molecular Anayzer) est de caractériser le contenu et la structure chimique des espèces moléculaires présentes dans des analogues de poussière cosmique.

Dans cette thèse nous nous intéresserons plus particulièrement aux grandes molécules carbonées telles que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) qui constituent une composante importante de cette matière cosmique comprenant environ 20% du carbone dans notre galaxie. Ces PAH excités par les photons ultraviolets des étoiles émettent dans des bandes infrarouges caractéristiques. Néanmoins aucune espèce individuelle n’a pu être identifiée. Il est admis qu’ils sont produits essentiellement dans les enveloppes des étoiles évoluées riches en carbone via des processus qu’il reste encore à élucider. Sur la base d’une analyse par spectrométrie de masse, des espèces PAH ont également été identifiées dans des échantillons extraterrestres tels que les météorites. Néanmoins la structure moléculaire de ces espèces reste à élucider. Se pose également la question de leur origine : chimie dans la nébuleuse pré-solaire ou origine interstellaires?.

Il s’agira pour le doctorant d’explorer ces questions en étudiant la phase moléculaire aromatique d’analogues de poussières cosmiques avec le dispositif AROMA. En plus des échantillons de matière extraterrestre, des analogues seront produits en laboratoire dans différents réacteurs : la STARDUST Machine développée à Madrid dans le cadre du projet NANOCOSMOS, mais aussi des réacteurs plasmas au LAPLACE (Toulouse) et à Madrid. Ceci permettra d’explorer différents scénarios de formation pour ces PAH. Plus spécifiquement, le doctorant mettra en place une procédure analytique afin de caractériser l’abondance absolue des espèces mais aussi leurs propriétés physico-chimiques en lien avec leur structure. Pour cela, il mènera des expériences de dissociation par interaction avec du gaz (dissociation par collisions), des électrons et des photons afin de caractériser la stabilité et la structure électronique de ces espèces, ce qui permettra leur identification. Le travail comprendra des simulations numériques afin de comprendre la dynamique des ions dans le piège et quantifier les échanges d’énergie par collision avec le gaz. Il s’agira également de calculer la géométrie de ces ions et leur spectre électronique.

Cette thèse d’astrophysique de laboratoire s’inscrit dans un contexte interdisciplinaire (physique, physico-chimie et astrophysique). En plus du dispositif AROMA installé au LCAR, le doctorant aura accès au dispositif PIRENEA (IRAP) afin de mener des études complémentaires. Il bénéficiera des collaborations nationales et internationales mises en place par l’équipe. Cette thèse permettra au candidat d’acquérir un ensemble de compétences en physique moléculaire, spectrométrie de masse, interaction laser-matière et analyse moléculaire d’échantillons complexes.

Rechercher