Offre de thèse sur la matière organique dans les glaces du Milieu Interstellaire au laboratoire PIIM à Marseille

Les grains du Milieu Interstellaire (MIS) sont le siège de l’accrétion et de la formation de nombreuses molécules, et à l’heure actuelle, plus de 180 molécules ont été détectées dans le MIS. Un des enjeux actuels de l’astrochimie est de comprendre la formation ainsi que les mécanismes de l’évolution chimique permettant de former des molécules complexes (1). En effet, le MIS offre des conditions de températures et de radiations extrêmes (VUV, rayons X et cosmiques) permettant à travers des processus thermiques et photochimiques de faire évoluer des glaces primitives composées essentiellement de H2O, CO, CO2, CH4, CH3OH, NH3, H2CO, … (2) Les molécules ainsi formées se retrouvent dans la phase gazeuse du MIS, après avoir désorbées des grains, endroit où elles peuvent être détectées par radioastronomie.

Ce projet propose de simuler des glaces modèles du MIS et d’en étudier la réactivité sous contrainte thermique, sous irradiation VUV, sous irradiation X. Pour cela nous disposons d’appareillages permettant d’obtenir des pressions inférieures à 10-8 mbar sous des températures de 8 à 300 K. Ces systèmes couplés à des moyens de diagnostic IR, de spectrométrie de masse permettent l’identification et la caractérisation de molécules complexes.

Au cours de cette étude, des expériences d’irradiation VUV et de RX seront envisagées afin de comprendre l’implication de chacune d’entre-elles dans la formation de molécules organiques complexes. Cette partie sera réalisée en collaboration avec le CINaM à Luminy qui possède l’appareillage pour effectuer certaines de ces irradiations et plus particulièrement les rayons X (P. Parent).

Ces études essaieront également de comprendre l’implication d’intermédiaires réactifs tels que les radicaux (3), initiés au cours des irradiations, dans des processus de réactions dans des solides moléculaires. Dans ce cadre, une collaboration avec la Rühr Universität de Bochum en Allemagne est engagée et se poursuivra. Au cours de ce projet, l’étudiant sera amené à effectuer différentes visites dans ce laboratoire pour faire des expériences RPE à 3K pour caractériser les radicaux issus de l’irradiation VUV de molécules présentes dans les glaces primitives. La détection de ces radicaux est utile pour déterminer les mécanismes réactionnels.

Les systèmes tests impliqueront des générateurs de fonctions nitriles et on s’intéressera au comportement de HCN, CH3CN, C2N2 (générateur de radical CN sous irradiation VUV). L’étude de l’hydrogénation et de l’oxydation, par bombardement avec des radicaux H et O, de C2N2 et autres molécules d’intérêts est également envisagée. Ces expériences seront réalisées sur le même principe que celle réalisée sur l’hydrogénation de HCN (4), réaction primordiale et fondamentale du MIS.

Contexte de l’étude :

Les nuages moléculaires denses sont les endroits du MIS où se forment les étoiles. 1% de la masse globale de ces nuages est de la matière solide existante sous forme de grains de poussière d’une taille inférieure au μm. Ces poussières sont essentiellement composées de silicate et de matière carbonée recouverts d’un manteau de glace de composés volatils. Pour des raisons encore mal

Caractérisation spectroscopique de molécules organiques complexes et d’intermédiaires réactionnels dans les glaces du Milieu Interstellaire

élucidées, certaines zones des nuages moléculaires vont s’effondrer gravitationnellement et former des étoiles. La formation de cette protoétoile induit un réchauffement de ces grains (plus de 100 K) et leur irradiation, par des photons UV (Lyman alpha 121 nm), des rayons X et des rayons cosmiques, amorçant une évolution chimique de ces corps. Ce genre de radiations est aussi dominant dans les régions de photodissociation (PDR, XDR) ou bien dans le système solaire où l’on retrouve des objets tels que les comètes subissant ce type de phénomène.

Fig 1: Evolution de la matière stellaire.

Le contexte de nos études est la compréhension de l’évolution chimique de la couche de glace de ces grains de poussière de façon à comprendre comment des molécules complexes peuvent se former.

Fig 2 : Evolution des grains sous différentes contraintes

Dans ce cadre, nous avons déjà conduit différentes études, notamment sur des voies alternatives de formation de la glycine (5-7) ainsi que sa stabilité aux rayons X (8,9), et sur la réactivité de NH3 et HCN (10) montrant que l’aspect mécanistique permet d’appréhender la réactivité chimique du MIS du grain élémentaire jusqu’à son incorporation dans des astres plus évolués, tels des astéroïdes ou comètes.

Le type d’étude envisagée s’inscrit dans le cadre de l’astrochimie qui est littéralement aux interfaces de la chimie, de l’astrophysique et de la physique. Cette étude cherche à prendre en compte l’impact de différents types d’irradiation sur les constituants des glaces interstellaires par les rayons VUV et rayons X émanant de jeunes étoiles en formation. Dans ce cadre, des mesures de sections efficaces de photodissociations de molécules seront réalisées et l’on cherchera à établir un réseau de réaction à partir de ces différents processus. Pour ce faire, nous caractériserons les principales voies de réactions et quantifierons les différents rapports de branchement de ces photoréactions.

Références bibliographiques :
(1) Theulé et al. Advances in Space Research 2013 52 1567 (2) Dartois Space Sci. Rev. 2005, 119, 293
(3) Borget et al. J. Phys. Org. Chem. 2015, 28, 163
(4) Theulé, Borget et al. A&A 2011, 534, A64
(5) Bossa et al. A&A 2009, 506, 601
(6) Danger et al. A&A 2011, 525, A30
(7) Borget et al. A&A 2012, 541, A114
(8) Risset et al. Int. J. Quantum Chem., 2010
(9) Pernet et al. A&A 2013, 552, A100
(10) Noble et al. MNRAS, 2013, 428, 3262