Présentation

L’équipe Astrochimie et Origines est une équipe essentiellement expérimentale qui combine des analyses et des simulations en laboratoire à l’interprétation, à la modélisation et aux observations pour l’étude de la matière extraterrestre solide issue des petits corps du système solaire et pour l’étude des surfaces des corps glacés (les objets transneptuniens).

Les travaux de l’équipe ont pour spécificité d’allier expériences et mesures en laboratoire et données observationnelles issues de différents instruments spatiaux, afin d’aider à l’interprétation de ces dernières.

« Analyser la matière extraterrestre (météorites, grains cométaires, astéroïdes, poussière interstellaire) pour comprendre son évolution et son rôle dans l’origine du système solaire et de la vie. »

Zahia Djouadi, Responsable de l'équipe A&O

Trois grands types d’expériences sont menés par les membres de l’équipe A&O :

  • Les mesures de caractérisations physico-chimiques de différents types d’échantillons.
  • Les simulations expérimentales dont le but est de reproduire en laboratoire un processus ou un environnement astrophysique et d’en étudier les effets physiques et/ou chimiques sur différents types de matières solides.
  • Les expériences de production d’analogues de matière extraterrestre (glaces, minéraux, matériaux organiques).

Les méthodes de caractérisation physico-chimique de l’équipe reposent principalement sur des techniques de spectroscopie, de microscopie et d’imagerie utilisées dans le but d’analyser divers échantillons extraterrestres : météorites, poussières interplanétaires (communément appelées IDPs pour Interplanetary Dust Particles) collectées dans la stratosphère et des grains cométaires et astéroïdaux collectés par des sondes spatiales et ramenés sur Terre.

Pour produire et/ou analyser une large gamme d’échantillons d’intérêt astrophysique,  l’équipe A&O a fait le choix stratégique de développer des analyses spectroscopiques et physico-chimiques sur des dispositifs se trouvant à l’IAS et de s’appuyer fortement sur des  collaborations interdisciplinaires, nationales et internationales, pour étendre ses capacités d’analyses auprès de plateformes nationales, de grands accélérateurs, et des synchrotrons (l’équipe a développé un partenariat de longue date avec la ligne SMIS du synchrotron SOLEIL, elle bénéficie ainsi d’un accès garanti aux instruments de la ligne et développe également des collaborations avec d’autres lignes).

Les données spectroscopiques d’intérêt obtenues en laboratoire par l’équipe A&O alimentent régulièrement la base de données DAYSY (Database for AstrochemistrY and SpectroscopY) qui fait partie de l’architecture SSHADE (Solid Spectroscopy Hosting Architecture of Databases and Expertise), labellisée Europlanet (responsable B. Schmitt, IPAG, OSUG).

Cette base de données permet d’assurer l’archivage, la traçabilité et surtout l’accès public à une partie importante des données expérimentales produites par l’équipe.

L'équipe

Thèmes scientifiques

Les objectifs scientifiques de l’équipe A&O s’inscrivent dans le contexte des instruments d’observation et des missions d’exploration du Système Solaire. Les membres de l’équipe de formations différentes (astrophysique, physique, chimie et géologie) utilisent des méthodes analytiques variées, permettant ainsi une étude la plus poussée possible des solides extraterrestres. L’analyse d’échantillons extraterrestres divers et les travaux sur des analogues de synthèses en laboratoire, couplés aux observations « in-situ » (missions Rosetta, Hayabusa2, OSIRIS-Rex) permettent en effet de contraindre les liens de filiation entre les matières interstellaire, cométaire/astéroïdale et interplanétaire.

 

Analyse de cosmo-matériaux dits primitifs
Les corps primitifs, qui ont peu ou pas du tout évolué depuis les débuts de notre Système Solaire, il y a près de 4.6 milliards d’années, desquels sont issus les cosmo-matériaux disponibles en laboratoire présentent un assemblage complexe et d’importantes hétérogénéités physico-chimiques jusqu’aux échelles micrométrique et nanométrique. Historiquement, l’équipe s’est très tôt impliquée et investie dans l’analyse d’échantillons extraterrestres primitifs, de minuscules particules interplanétaires, appelées IDPs (Interplanetary Dust Particles) et des échantillons de météorites. Elle a particulièrement utilisé les microspectroscopies infrarouge (l’unique observable pouvant être directement reliée aux données mesurées par les télescopes sol et spatiaux et par les sondes spatiales) et Raman (pour l’étude de la composante organique aromatique). Elle a ainsi participé aux groupes préliminaires des analyses des échantillons cométaires rapportés en 2006 par la mission Stardust de la NASA et a été sélectionnée en 2018 pour participer aux analyses préliminaires des échantillons astéroïdaux rapportés en fin 2020 par la mission Hayabusa2 de la JAXA.

Ces dernières années, l’équipe A&O a développé différents protocoles analytiques spécifiquement optimisés pour ces matériaux précieux, fragiles et rares dans une logique de chaîne analytique allant des techniques les moins destructives aux plus destructives afin d’extraire un maximum d’informations de ses analyses et à différentes échelles. La technique d’analyse phare utilisée est la spectroscopie infrarouge (micro-spectroscopie, imagerie hyper-spectrale et tomographie) qui est totalement non-destructive et pour complémenter l’information physico-chimique fournie par les mesures infrarouges et Raman, une palette de techniques issues des dernières avancées technologiques et de collaborations (à l’échelle locale et nationale) a été progressivement adjointe pour arriver à caractériser de la façon la plus complète possible les échantillons analysés. Il s’agit en particulier des microscopies électroniques par Transmission (MET) et à Balayage (MEB), de la fluorescence XRF sur synchrotron (ligne NANOSCOPIUMpisch SOLEIL), de la tomographie X (Lignes PSICHÉ et ANATOMIX, SOLEIL) et de la spectrométrie de masse d’ions secondaires couplée à un temps de vol (TOF-SIMS, plateforme PLACAMAT (Bordeaux), et collaborations Andromède (IJCLab) et LAEC (Liban)).

 

L’ensemble de ces techniques permet à l’équipe A&O d’étudier, à la fois, les propriétés physiques (porosité, assemblage des minéraux, fracturation) et chimiques (composition des phases minérales et organiques et leurs colocalisations) des échantillons analysés afin de mieux contraindre les processus pré et post-accrétionnels subis sur leurs corps parents.

La microscopie électronique en transmission offre une vue fascinante des subtilités nanoscopiques de la matière extraterrestre, qui témoigne de l’histoire complexe des astéroïdes. Ici, un grain de l’astéroïde carboné Ryugu, collecté par la mission Hayabusa2, dévoile un nodule de matière organique entouré de phyllosilicates à gros grains et d’une matrice argileuse fine, riche en cristaux de sulfures.

Distributions 3D de différents composants sur un grain de l’astéroïde Ryugu analysé en tomographies X et IR : (a) Toute la matière, (b) Vue sur sa porosité, (c) Différents type de minéraux et (d) Distribution des organiques CH aliphatiques.

Expériences d’irradiation sur matériaux extraterrestres et leurs analogues
Une partie importante des travaux de l’équipe A&O tourne autour de l’étude des effets de l’irradiation sur différents types de surfaces solides. Cette activité couvre d’une part, l’étude de l’évolution physico-chimique de mélanges de glaces irradiées et la formation de matière organique moléculaire et macromoléculaire complexe ; et d’autre part, l’étude de l’évolution et l’altération de surfaces planétaires et celles de petits corps (astéroïdes, trans-neptuniens) sous l’effet de l’irradiation par le vent solaire et le rayonnement cosmique. Pour cela, l’équipe a développé, le dispositif INGMAR (IrradiatioN de Glaces et de Météorites Analysées en Réflectance) en collaboration avec l’IJCLab.
INGMAR est constitué d’une chambre à vide reliée à l’implantateur d’ions SIDONIE (IJCLab) et à des lignes de spectroscopie visible et infrarouge permettant un suivi in situ de l’évolution des spectres des échantillons durant leur irradiation. Selon l’épaisseur des échantillons préparés, la mesure peut se faire soit en transmission (0,4-25 µm) soit en réflexion (0,4-5 µm). Un cryostat permet de faire varier la température des échantillons placés à son extrémité de 12 à 300K. Une ligne de mélange de gaz est raccordée à la chambre sous vide et permet de déposer sur le doigt froid du cryostat différents mélange de glaces. Différents ions sont disponibles, leurs énergies et fluences peuvent être choisies selon le processus astrophysique à simuler/étudier.

Image obtenue en microscopie électronique à haute résolution d’une serpentine irradiée à l’Ar+. Une région très vésiculée se trouve au-dessus de la région vierge (non irradiée). La couche supérieure est constituée d’un mince rebord riche en SiO.

À gauche : spectres MIR obtenus sur une pastille de la météorite CM MET01070 avant (bleu et vert) et après irradiation aux ions He+ à différentes énergies (orange et rouge).

À droite : images de la position du pic principal vers 10 um (montré à gauche) où l’on voit des différences nettes entre les deux énergies d’irradiation (au centre de la pastille sur les deux vignettes) et le bord de la pastille qui a été caché pendant l’irradiation. Plus l’irradiation est importante, plus le spectre est modifié. C’est un nouveau marqueur de l’altération spatiale mis en évidence dans l’équipe que nous utilisons sur les observations des petits corps.

Observations de petits corps du SS
L’expertise de l’équipe dans l’analyse de matière extraterrestre et ce notamment par spectrométrie de masse, a été mise à profit pour la caractérisation des poussières cométaires collectées puis mesurées en TOF-SIMS par l’instrument embarqué COSIMA (et son microscope COSISCOPE (responsable : Yves Langevin, IAS)). C’est ainsi que nous avons pu révéler la teneur tout particulièrement élevée en carbone des poussières de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko et que nous continuons à travailler sur cette somme exceptionnelle de données spectrométriques afin d’affiner nos connaissances sur la composition chimique et la structure physique de cette matière primitive.

Par ailleurs, forte de son expertise de laboratoire en spectroscopie IR, l’équipe est sollicitée par des projets spatiaux afin de participer à l’analyse des données de missions en vol (observations à distance). Cela a notamment été le cas pour les missions de retour d’échantillons Hayabusa2/JAXA et OSIRIS-REx/NASA où l’équipe a été impliquée dans les analyses des instruments NIRS3 (Near Infrared Spectrometer), OVIRS (OSIRIS-REx Visible and Infrared Spectrometer) et OTES (OSIRIS-REx Thermal Emission Spectrometer) pour la recherche d’indices spectroscopiques liés à l’altération spatiale (changement de pente spectrale, déplacement de bandes, etc.).

De plus, l’équipe explore les confins du système solaire grâce au télescope spatial James Webb (JWST), qui ouvre une nouvelle fenêtre sur les objets trans-neptuniens, ces corps glacés témoins de la formation planétaire. Nous sommes co-investigateurs de plusieurs projets majeurs, dont un grand programme international (DiSCo), pour observer et analyser ces objets lointains avec l’instrument NIRSpec. Notre expertise unique en laboratoire permet d’identifier les molécules présentes à leur surface et de décrypter leurs spectres afin de reconstituer leur composition et leur histoire. Nos travaux ont révélé trois grandes familles d’objets trans-neptuniens, aux compositions chimiques distinctes, offrant un éclairage nouveau sur la formation du système solaire. Ces résultats servent aussi de référence pour l’étude d’autres corps glacés, comme les Centaures ou les Trojans de Neptune. L’équipe pilote l’analyse des spectres et le développement de scénarios sur l’origine et l’évolution de ces objets, et accueille régulièrement des étudiants à l’interface entre observations spatiales et expérimentations en laboratoire.

Représentation artistique de la distribution des objets transneptuniens dans le disque de planétésimaux, avec des spectres représentatifs superposés de chaque groupe de composition, mettant en évidence les molécules dominantes sur leurs surfaces. Crédit : Illustration graphique de William D. González Sierra pour le Florida Space Institute, Université de Floride Centrale.

Moyens techniques

Les ressources (propres et partagées) à la disposition de l’équipe incluent les équipements suivants et leur environnement, notamment en termes de chambres à vide, cryogénie et sources.

Expériences et dispositifs situés dans les bâtiments de l’IAS :

  • Une salle blanche de classe ISO 7 dotée d’un flux laminaire de classe ISO 5. Cette salle comprend :
    – Un micromanipulateur motorisé (Quick pro Microsupport) pour la préparation des échantillons de taille variant de ~ 10 µm à quelques millimètres.
    – Un macroscope (Leica) et un microscope (Nikon).
    РDes spectrom̬tres UV-Visible-proche infrarouge fibr̩s.
  • Un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier, MIR par transmission (VERTEX 70) auquel peut être raccordé :
    – Une cellule environnementale haute température haute pression. [300, 1000 K] et jusqu’à 69 bar (voir Pronext).
  • Une ligne d’arrivée de gaz via une bouteille pour les mélanges (volume tampon) alimentant la cellule Pronext.
  • Un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier, (INVENIO-R).
  • Un évaporateur par pulvérisation cathodique sous vide poussé (pour la synthèse de films minces de silicates ou autres).
  • Un four tubulaire sous vide permettant des recuits jusqu’à 1200 °C.
  • Un dispositif pour la production de films organiques de différentes compositions par plasma induit par décharge micro-onde.
  • Un appareil de chromatographie en phase liquide haute performance de type HPLC (Dionex) couplé à spectrographe UV-visible à barrette de diodes.
  • Lampes à décharge d’hydrogène micro-onde (source VUV).

 

 

Expériences et dispositifs mutualisés :

  • Le dispositif INGMAR en collaboration avec IJCLab (situé au bâtiment 108, raccordé à l’accélérateur SIDONIE, IJCLab) qui comprend :
    – Une chambre à vide.
    – Un cryostat.
    – Un spectromètre fibré  UV-Visible-proche infrarouge et un spectromètre FTIR.
  • Un imageur hyperspectral Infrarouge (Cary 670/620) avec sa source interne (Globar) installé dans les locaux de la ligne SMIS du synchrotron SOLEIL.
  • Un bolomètre- refroidi à l’hélium liquide sur spectromètre FTIR (ligne SMIS SOLEIL).
  • La microscopie électronique à balayage (installé au laboratoire GEOPS)– FEG-ESEM équipé d’un couplage Dual EDS / µ-XRF.
  • La microscopie électronique à transmission (MET 200 keV JEOL/EDS/STEM), équipement installé à CentraleSupélec.
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