Spin, Photons et glaces

Composition de l’équipe

Xavier Michaut (Prof. – Responsable d’équipe), Jean-Hugues Fillion (Prof.), Mathieu Bertin (MCF), Géraldine Féraud (MCF), Laurent Philippe (MCF), Pascal Jeseck (Ingénieur de recherche), Romain Basalgète (Doctorant), Japhar Michoud (Doctorant), Antonio Ocaña-Fernandez (Postdoc)

Contexte

L’univers froid possède une grande richesse moléculaire, des plus simples espèces comme H2, H2O ou CO jusqu’à des espèces organiques de complexité croissante (alcools, aldéhydes, acides carboxyliques…), dont l’avènement des nouveaux radiotélescopes, spatiaux ou terrestres, permet la détection de plus en plus précise dans les régions de formation d’étoile et de planètes. La sensibilité croissante de ces instruments permet également la mesure des états quantiques rotationnels de ces molécules, et en particulier leur état de spin nucléaire (isomérie de spin nucléaire), un paramètre pouvant retracer l’histoire thermique des molécules observées.
Dans ces zones, la température ambiante ( 10-100 K) fait que la majorité des molécules complexes se forment ou condensent à la surface de grains de poussière, formant un manteau glacé qui en constitue le réservoir principal. Ce sont ces glaces qui, lors de leur sublimation, enrichissent la phase gaz et contrôlent ainsi sa constitution chimique, tout en influant sur les propriétés intrinsèques des molécules qui sont détectées. Les phénomènes de désorption et d’échange entre les phases solide et gaz sont donc une étape clef dans la compréhension des observations des molécules dans les zones froides du milieu interstellaire.

L’équipe

L’équipe « Spins, Photons and Ices » est une équipe de physique expérimentale, qui s’intéresse aux phénomènes d’adsorption et de désorption des molécules d’intérêt astrophysique, et à l’influence de ces processus sur l’état quantique des molécules, en particulier leur état de spin nucléaire. Les expériences réalisées par le groupe visent à simuler en laboratoire ces processus et à comprendre ces phénomènes de façon quantitative, et à l’échelle microscopique. Pour cela, l’équipe fait appel à des méthodes de spectroscopie (de masse, infrarouge à moyenne et très haute résolution, et spectroscopie laser), et aux techniques de vide et ultravide et de cryogénie afin de se placer dans les conditions extrêmes du milieu interstellaire.
L’équipe dispose de deux dispositifs instrumentaux complémentaires pour mener ses études. Le dispositif SPICES est un montage sous ultravide (pression 10-10 Torr), dans lequel sont étudiés les glaces et les phénomènes d’adsorption et de désorption, thermique ou photo-induite. SPICES est conçue pour s’adapter à plusieurs types de sources de rayonnement pour la spectroscopie ou pour simuler le rayonnement interstellaire : des sources laser allant de l’infrarouge à l’UV du vide, disponibles au laboratoire, ou encore le rayonnement synchrotron (ligne DESIRS du synchrotron SOLEIL) où une partie des expériences est menée. Le dispositif CoSpiNu est quant à lui adapté pour l’étude des petites molécules d’intérêt astrophysique, en phase gaz, à l’interface solide-gaz ou en matrice de gaz rare à très basse température. Le dispositif est relié à un spectromètre infrarouge, sous vide et à très haute résolution, qui permet la détection de très petites quantités de gaz, et la détermination leur état de spin nucléaire.

Thématiques développées

• L’adsorption et la désorption thermique d’atomes et de molécules à partir de surfaces d’intérêt astrophysique – Dispositif SPICES, thèse Mikhaïl Doronin, collaboration Y. Ellinger, A. Markovitz, F. Pauzat (LCT - Paris).
• UV Photo-induced desorption : quantification and molecular mechanisms – SPICES setup, collaborations with H. Linnartz (Leiden Observatory - NL), K. Öberg (Harvard Smithsonian - USA), V. Baglin (CERN - CHE). Experiments realized partly at the SOLEIL synchrotron (France).
• Conversion de spin nucléaire en matrice de gaz rare et à l’équilibre solide-gaz –Dispositif CoSpiNu, collaborations C. Pardaneau, S. Coussan, C. Martin (PIIM – Marseille), P. Cacciani, M. Khelkhal et J. Cosleou (PhLAM – Lilles), P. Ayotte, P-A Turgeon, J. Vermette (Université de Sherbrook, Canada).
• Influence de la désorption sur les états quantiques et spin nucléaire des molécules – dispositifs SPICES et CoSpiNu.

Contrats et sources de financement : ANR Gasospin (ANR-09-BLAN-0066-01), Programme National du CNRS « Physique et Chimie du Milieu Interstellaire » (PCMI), Plateforme de l’Université Pierre et Marie Curie « Astrolab », Labex de l’Université Pierre et Marie Curie « MiChem », soutient de la région Ile-de-France DIM-ACAV (astrophysique et conditions d’apparition de la vie).