Ejecter l'eau des grains interstellaires avec des rayons X
Publié par Adrien le 09/11/2018 à 08:00
Source: CNRS-INSU
Une équipe internationale impliquant des chercheurs français a déterminé expérimentalement l'efficacité d'un processus, la photodésorption de glaces par les rayons X, jusqu'ici non considéré dans les modèles astrochimiques de régions du milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement...) irradiée par des rayons X. Ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) permettent d'explorer l'impact que pourrait avoir le processus sur la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) et la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) de ces régions, comme les disques protoplanétaires.

Dans les régions froides et denses du milieu interstellaire, de nombreuses molécules sont observées. Certaines sont présentes sous forme de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout...), d'autres sont collées à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec...) de minuscules grains de poussière, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est haute et inversement. Chaque voyelle...) ce que l'on appelle des manteaux de glace (La glace est de l'eau à l'état solide.). Le constituant majoritaire de cette glace est l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), qui joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert...) un rôle important dans de nombreuses régions du milieu interstellaire, telles que les disques protoplanétaires, futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) lieux de formation de planètes qui entourent les très jeunes étoiles. Lorsque les grains de poussière sont suffisamment froids, les molécules qui s'y forment ou s'y collent devraient rester gelées. Or ceci n'est pas compatible avec les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) du gaz dans les régions froides qui sont faites par les astronomes. Cela implique que des processus sont à l'oeuvre qui permettent de détacher des molécules des manteaux glacés. De tels processus impliquent l'apport d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), qui peut être sous forme de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) (UV, X, rayons cosmiques...), d'énergie chimique, de chocs...


Schéma de principe de l'expérience. Une glace d'eau d'une épaisseur d'une centaine de molécules est déposée sur un substrat froid et irradiée par le rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.) en balayant l'énergie des photons (donnée en électron-volt). Les différentes espèces éjectées de la glace sont détectées par spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse monoisotopique. De plus, la spectrométrie de masse permet de...). Sur la droite, un exemple typique de résultat obtenu: il s'agit du taux de photodésorption de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite...) d'eau neutre en fonction de l'énergie des photons.

Dans la plupart des régions du milieu interstellaire, on trouve du rayonnement ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.). C'est pourquoi le processus par lequel un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se...) UV détache une molécule de la glace (la photodésorption) est pris en compte dans les modèles astrochimiques et est bien étudié en laboratoire. Mais il existe des régions où l'on trouve aussi une illumination par des rayons X, par exemple dans les disques protoplanétaires où la jeune étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la...) émet fortement dans cette gamme d'énergie. Pour prendre en compte un processus comme la photodésorption par les rayons X dans les modèles astrochimiques s'intéressant à de telles régions, il est d'abord nécessaire de disposer de données expérimentales. Ceci permet de savoir combien de molécules sont détachées, en moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des...), pour chaque photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se...) incident, quels sont les processus physiques entrant en jeu...

C'est ce que fait cette étude dans le cas de la glace d'eau. Pour cela, les auteurs ont utilisé la chambre expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En...) sous ultravide SPICES 2, dédiée à l'étude de processus à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir...) entre solide et gaz à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...), qu'ils ont amené sur la ligne de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) SEXTANTS du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de...). Les conditions d'ultravide (~10-10 mbar) sont nécessaires pour étudier les phénomènes de surface, et les conditions de basse température (15 K) reproduisent celles des régions de l'espace étudiées. Le rayonnement synchrotron, lui, fournit un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans...) de rayons X intense, monochromatique (On qualifie de monochromatique (du grec mono-, un seul et chromos, couleur) une lumière dont la couleur n'est formée que d'une fréquence ou, par extension de sens, d'une bande très...) et accordable sans lequel ce genre d'étude serait impossible.

Les résultats obtenus quantifient la photodésorption de la molécule d'eau mais aussi de différentes espèces neutres ou ionisées issues de la fragmentation et de la photochimie induite par les rayons X dans la glace d'eau. Les études précédentes ne s'étaient intéressées qu'au seul ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se traduisant par « allant, qui va ».) H+, or la photodésorption des espèces neutres s'avère être la plus importante quantitativement. Ces chiffres peuvent ensuite être adaptés et introduits dans les modèles astrochimiques de régions comme les disques protoplanétaires, permettant d'évaluer l'impact du processus de photodésorption par les rayons X sur la chimie et la physique de ces environnements.

Ce travail a bénéficié du soutien financier de l'INSU, du Programme National “Physique et Chimie du Milieu Interstellaire” (PCMI) du CNRS/INSU avec l'INC/INP co-financé par le CEA et le CNES, du LabEx MiChem, du programme DIM ACAV Région Ile-de-France, du Synchrotron SOLEIL (projet 20161406), et de l'Organisation (Une organisation est) européenne pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) (CERN, KE3324/TE).
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