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Le Milieu Interstellaire est un laboratoire physicochimique aux conditions extrêmes, généralement hors équilibre. Il présente plusieurs composantes : un milieu chaud et peu dense, dans lequel baigne une deuxième composante froide, neutre et dense, représentée par les nuages moléculaires. La troisième composante est la région ionisée autour des étoiles chaudes et jeunes. Le milieu neutre et froid domine la masse de la matière (McKee et al. 1977). L'effondrement des nuages moléculaires va donner naissance aux étoiles dont l'évolution est fortement dépendante de la masse initiale de celles-ci. Les étoiles de forte masse vont interagir violemment avec leur nuage parent. Les étoiles de plus faible masse vont suivre une séquence d'accrétion pure, suivie d'une période d'accrétion et d'éjection de matière, permettant de libérer le moment angulaire acquis. Du fait de la rotation initiale des condensations, le gaz se rassemble sous forme de disque optiquement épais. Ce disque, qui peut être au départ géométriquement très large (évasé plus on s'éloigne du centre), va ensuite se rassembler sous forme d'un disque plus mince et concentrer la matière en planétésimaux. Ces derniers donneront naissance à des objets tels que les planètes, astéroides ou comètes. La filiation entre matière interstellaire et interplanétaire (poussières cométaires, météorites) est un sujet de recherche en plein essor, et un certain nombre d'instruments ou sondes spatiales en développement (VLT, Herschel, ALMA, ROSETTA, JWST) va autoriser une réelle avancée dans ce domaine à moyen terme.

On classe généralement les stades d'évolution de ces objets selon leur distribution spectrale d'énergie dont le pic de flux se déplace progressivement du domaine de longueur d'onde millimétrique aux domaines visible et ultraviolet, lorsque l'étoile centrale n'est plus totalement obscurcie par le gaz et les poussières environnantes, rassemblées sous forme de disque ou planétesimaux.

Les différentes étapes, depuis la condensation initiale jusqu'au stade final de la vie de la matière solide extraterrestre (interstellaire, cométaire, météoritique et planétaire), font intervenir de nombreux mécanismes chimiques et physiques qu'il faut caractériser et analyser par l'observation et l'expérience en laboratoire. Les contraintes observationelles et expérimentales apportées à ces mécanismes nous permettent de mieux comprendre l'évolution physicochimique de la matière dans les différents environnements où elle est observée, et plus généralement de comprendre son cycle global dans la Galaxie.

Activité

Les travaux de l'équipe d'astrochimie expérimentale abordent la thématique de l'étude du cycle de vie de la matière dans notre galaxie. Je m'inscris dans cette équipe au travers de compétences :

- expérimentales (développement d'expériences de spectroscopie visible, infrarouge et infrarouge lointain),

- observationnelles (visible : Observatoire de Haute Provence; infrarouge : Infrared Space Observatory, United Kingdom InfraRed Telescope, Very Large Telescope ; millimétrique : 30m de l'IRAM-Grenade, de l'interféromètre du Plateau de Bure),

- en réduction de données,

- en modélisation (écriture d'un code de transfert de rayonnement  symétrie sphérique).

Ces différents techniques constituent les moyens autour desquels s'articulent mon activité de recherche et mes perspectives futures.

Expériences et phase solide

En ouvrant une fenêtre spectroscopique continue dans l'infrarouge de 2.5 à 196 microns, ISO a révolutionné notre connaissance de la composition chimique de la poussière interstellaire. Dans cette gamme de longueur d'onde, on peut observer  la fois l'émission d'ions, d'atomes, de molécules (telles qu'H2), de petits grains de poussières comme les molécules polycycliques aromatiques, dites ``PAHs'', de silicates et autres composés réfractaires. Dans les milieux très froids (10K) et dans le cas des solides, on est souvent dominé par l'absorption. Pour analyser la nature des solides, on observe alors la modification du rayonnement d'une source en arrière plan qu'ils provoquent. Cette source va émettre du rayonnement qui va \^etre absorbé du fait des opacités élevées, puis ré-émis (en IR et submm) par les poussières, les manteaux de glaces qui les recouvrent et le gaz environnant. L'étude de ce rayonnement nous renseigne donc sur le contenu en matière du nuage traversé.

Parmi les solides interstellaires, les manteaux de glaces recouvrant les grains de poussières sont d'une importance cruciale pour l'évolution du milieu. Ils servent en effet d'interface entre la phase gazeuse et les grains de poussière plus réfractaires. Ils jouent le rôle de catalyseurs pour les réactions à trois corps. Sur la surface de solide, tous les composés sont en interaction et sous l'effet d'un apport d'énergie externe (chauffage, rayonnement ultraviolet, rayons cosmiques) ils vont pouvoir réagir directement entre eux.

l'IAS, je participe depuis le début de ma thèse (en 1995) au développement d'une expérience dont le but est de fournir des spectres infrarouge proche et lointain pour l'interprétation de données de missions présentes ou futures majeures (ISO, VLT, Herschel, Spitzer, ALMA, ROSETTA, JWST). En particulier, cette expérience couple la technique d'isolation en matrice de gaz rare à un spectromètre  Transformée de Fourier. Une lampe  décharge micro-ondes dans l'hydrogène permet de simuler le rayonnement UV interstellaire. Les glaces sont produites en laboratoire par condensation sur une fenêtre refroidie (10-300K). Le système peut être adapté à un large éventail de conditions astrophysiques comparables aux milieux Interstellaires et circumstellaires. L'expérience permet l'analyse des spectres depuis le visible-UV (par exemple pour les PAHs) jusqu'aux mesures de constantes optiques de matériaux solides dans l'infrarouge lointain (par exemple les silicates).

Photo d'une partie de l'expérience installée  l'IAS: spectromètre  transformée de Fourier, cryostat dans lequel sont produits les matériaux d'intérêt astrophysique, lampe UV et quelques éléments d'électronique associés.





En particulier, j'ai travaillé sur une première étape d'identification d'espèces solides par comparaison directe entre les spectres astrophysiques et les films de glace mesurés en laboratoire. On identifie alors les molécules principales présentes dans les manteaux. Les données de satellites tels qu’ISO, Spitzer ou le JWST, permettent d'établir un premier bilan de la composition globale des manteaux. Une telle étude montre que la matière moléculaire, sous sa forme solide, est une phase dominante, dans les milieux protostellaires, par rapport  celle en phase gazeuse, sauf pour H$_2$.



L'évolution chimique de cette matière solide est très particulière et peut conduire  la formation de molécules plus complexes, par des voies spécifiques (par exemple la photochimie). De plus, ce travail indique que des molécules telles que le méthane, le dioxyde de carbone et l'eau, auparavant extrêmement difficiles  observer ou inobservables depuis le sol, sont très abondantes (de l'ordre de 10$^{-4}$-10$^{-6}$ H$_2$). Il faut donc reconsidérer les modèles d'évolution chimique en tenant compte de ces nouvelles abondances et de l'interaction gaz-grain. Ces solides, volatiles ou réfractaires, sont incontournables dans les échanges chimiques entre gaz et grains.

(a suivre...)

 

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EVOLUTION

PHYSIQUE

ET CHIMIQUE

DANS LES MILIEUX INTERSTELLAIRE

ET INTERPLANETAIRE