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Accueil > FR > Recherche > Spectroscopie et Applications > Spectroscopie microonde et (sub)millimétrique > Molécules astrophysiques

Activités de recherche

par Laurent MARGULES, Roman MOTIENKO, Stéphane BAILLEUX - publié le , mis à jour le

  1. Molécules organiques complexes

    1. Notre équipe a répondu au besoin pressant d’observer et de caractériser la signature centimétrique, millimétrique et sub-millimétrique de molécules astrophysiques et pré-biotiques (principalement des molécules organiques de masse inférieure à 500 uma) contenant des groupements CH3, OH ou NH2. Ces molécules sont parmi les nouvelles cibles visées dans les observations des radio-télescopes Herschel (observatoire spatial), ALMA (Atacama Large Millimeter Array) et SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy). L’ANR TopModel (PhLAM-LISA) visait à modéliser le mouvement de torsion de molécules astrophysiques dans une gamme spectrale allant des microondes au THz. Pour cela le PhLAM et le LISA ont associé et développé des compétences très complémentaires, expérimentales et théoriques. Au niveau national, les deux partenaires ont largement contribué au succès du Programme National de Physico-Chimie du Milieu Interstellaire, pour la spectroscopie de Laboratoire. Vu la forte pression au niveau international (notamment JPL, USA) notre consortium avait placé comme objectif prioritaire l’étude de la molécule de formiate de méthyle (HCOOCH3) et de ses isotopologues (H13COOCH3, HCOO13CH3, DCOOCH3, HCOOCH2D, HCOOCHD2, HC18OOCH3, HCO18OCH3, synthétisés par J.-C. Guillemin à Rennes). Cette molécule, classée par les astrophysiciens de la mission Herschel dans la catégorie « Weed I », est responsable d’une partie de la « confusion spectrale » observée dans les spectres astrophysiques, ce qui rend nécessaire une modélisation précise – en laboratoire – de son spectre afin de permettre la détection de nouvelles molécules. Par ailleurs, les rapports isotopiques (13C/12C, D/H, 18O/16O) représentent des informations très utiles pour contraindre les modèles astrochimiques sur lesquels sont basés différents scénarios de l’origine de la vie. Nos analyses du spectre des espèces isotopiques 13C, D et 18O du formiate de méthyle sont les premières à reproduire l’ensemble des données expérimentales recueillies au laboratoire à la précision expérimentale et ont donc un très bon pouvoir de prédictibilité. Nous avons donc bien atteint les objectifs sur la spectroscopie des isotopologues de HCOOCH3 et leur détection astrophysique (plus de 1600 raies détectées dans Orion-KL, en collaboration avec J. Cernicharo). Pour le PhLAM et le LISA, l’impact scientifique du projet TopModel s’est traduit par la reconnaissance de la communauté astrophysique qui associe aujourd’hui volontiers la spectroscopie de laboratoire à la détection de nouvelles espèces dans l’espace. De ce fait les échanges entre disciplines sont plus nombreux et de nouveaux projets collaboratifs ont vu le jour tout au long de l’ANR. Il convient de mentionner également des contributions relevant de la physico-chimie fondamentale. Ainsi la première observation de la bande fondamentale de torsion du formiate de méthyle, sur la ligne AILES de SOLEIL et dans la région THz, a permis en collaboration avec V. Ilyushin (Kharkov) et J. Vander Auwera (Bruxelles) de modéliser le spectre en fréquence et en intensité et de stabiliser les paramètres moléculaires décrivant le mouvement de torsion. Nous avons aussi observé et modélisé la structure hyperfine magnétique d’un groupement méthyle soumis à un mouvement de rotation interne. Coordonnée par le PhLAM, l’ANR TopModel a conduit à la publication de 20 articles et la présentation de 46 communications dans des colloques, dont 7 conférences invitées. Les articles présentent soit des résultats de spectroscopie publiés dans les revues spécialisées de physico-chimie, soit des détections de nouveaux signaux moléculaires dans le milieu interstellaire publiées dans des revues d’astrophysique. Enfin TopModel a contribué à la base de données astrophysique Splatalogue, dédiée à la mission ALMA.
    2. Par ailleurs l’équipe a aussi contribué à l’ANR FORCOMS dont l’objectif pendant ces quatre années a été de clarifier des étapes clés vers la complexification moléculaire dans plusieurs régions de formation stellaire et de découvrir de nouvelles espèces moléculaires, essentielles pour la complexification. Ceci a été réalisé notamment grâce à l’exploitation des nombreuses observations issues des télescopes IRAM et Herschel, couplée avec l’acquisition de nouvelles données spectroscopiques et la réalisation de calculs de chimique quantique, ainsi que le développement d’un nouveau modèle d’astrochimie de formation des glaces moléculaires sur les grains de poussière interstellaire. Le taux de deutération des molécules pourrait donner des informations essentielles sur leurs origines. La tâche de notre équipe a été d’enregistrer, et d’analyser les spectres de plusieurs molécules organiques complexes deutérées telles que le Methyl-Formate, le glycolaldéhyde, la formamide et le dimethyl-Ether. L’analyse des spectres de molécules présentant des mouvements de rotation interne telles que methyl-formate et le dymethyl ether est complexe et délicate. Ces travaux ont pu être réalisés grâce à l‘appui de théoriciens (I. Kleiner et L. Coudert du LISA, P. Groner de l’Université du Kansas), ce qui a permis la première détection de leurs isotopologues deutérés dans le milieu interstellaire. Pour les autres molécules non détectées actuellement, ces données restent très utiles pour la communauté astrophysique et permettront leur détection avec le radiotélescope ALMA qui sera beaucoup plus sensible que les instruments actuels.
  2. Radicaux

    Les activités liées aux molécules très instables (durée de vie des espèces inférieure à 10 ms) portent sur la caractérisation spectroscopique de radicaux et d’ions ayant un intérêt pour l’astrochimie. Des données préalables issues de mesures faites en laboratoire sont essentielles pour une détection radioastronomique de ces espèces.

    Figure 1 :
    Figure 1 :
    calculated spectrum based on our measurements below 400 GHz showing the tunneling, electron spin-rotation and hyperfine splittings.

    Récemment, le spectre rotationnel du radical hydroxyméthyle (CH2OH, isomère du méthoxy, CH3O) a été identifié après plus de quatre décennies de tentatives internationales infructueuses (Figure 1). Le tunneling du proton hydroxyle (oscillations au rythme de 140 MHz environ entre deux géométries équivalentes et isoénergétiques, Figure 2) a aussi été mis en évidence pour la première fois. Cette identification est capitale pour les astrophysiciens car la détection de CH2OH dans le milieu interstellaire aiderait à mieux comprendre les mécanismes de formation du méthanol, une espèce omniprésente tant en phases gazeuse que solide. Des études ont montré que la photolyse UV de CH3OH (solide) à la surface de grains interstellaires conduit à la formation de CH2OH et CH3O. Cernicharo et al. ont d’ailleurs détecté CH3O en 2012. Des campagnes de détection de CH2OH dans le nuage froid B1-b (radiotélescope de 30 m de l’IRAM, Madrid) ont été programmées en janvier, mars et avril 2017.

    Figure 2 :
    Figure 2 :
    oscillations of the hydroxyl proton between the two equivalent geometries at the rate of 140 MHz by tunneling through a high barrier of potentiel ( 1600 cm-1, not shown).

    D’autres travaux récents ont porté sur l’étude des variétés 15N de NH, NH2 et HNC. La motivation principale provient de variations du fractionnement isotopique de l’azote observées au sein du milieu interstellaire. Ces variations, les plus importantes après celles de l’hydrogène, sont mal comprises. Ainsi 15NH et 15NH2, en tant qu’intermédiaires participant à la formation de l’ammoniaque interstellaire, sont des molécules cibles favorites (au même titre que H15NC) visant à mieux comprendre l’origine de ces variations. Les mesures ont été réalisées conjointement au PhLAM jusque 1 THz et sur la ligne AILES du synchrotron Soleil avec O. Pirali. Un autre point marquant a été obtenu avec la première détection en laboratoire du radical CHD, le méthylène mono-deutéré. L’étude de cette molécule présente de multiples intérêts. En tant que molécule mère des carbènes, c’est une espèce très réactive qui joue un rôle fondamental dans de nombreux systèmes, dont le milieu interstellaire. Les modèles prévoient que sa formation suit la réaction : CH2D+ + e- → CHD + H. Sur le plan théorique, le méthylène étant une toupie exceptionnellement flexible, le Hamiltonien standard de Watson ne reproduit pas correctement les niveaux d’énergie.

Publications récentes :

  • C. Bermúdez, S. Bailleux and J. Cernicharo "Laboratory detection of the rotational-tunnelling spectrum of the hydroxymethyl radical, CH2OH". A&A 598, A9 (2017)
  • L. Margulès, M. A. Martin-Drumel, O. Pirali, S. Bailleux, G. Wlodarczak, P. Roy, E. Roueff and M. Gerin "Terahertz spectroscopy of the 15NH2 amidogen radical". A&A 591, A110 (2016)
  • J. Cernicharo, S. Bailleux, E. Alekseev, A. Fuente, E. Roueff, M. Gerin, et al. "Tentative detection of the nitrosylium ion in space". A&A 795:40 (2014)
  • S. Bailleux, M. A. Martin-Drumel, L. Margulès, O. Pirali, G. Wlodarczak, P. Roy, E. Roueff, M. Gerin, A. Faure and P. Hily-Blant. " High-resolution Terahertz Spectroscopy of the 15NH radical (X 3Σ-)". A&A 538, A135 (2012)
  • C. Richard, L. Margulès, E. Caux, C. Kahane, C. Ceccarelli, J.-C. Guillemin, R. A. Motiyenko, C. Vastel, and P. Groner. "Mono-deuterated dimethyl ether : laboratory spectrum up to 1 THz". A&A 552, A117 (2013).
  • I. Haykal, R. A. Motyienko, L. Margulès and T. R. Huet. "Millimeter and submillimeter wave spectra of 13C-glycolaldehydes". A&A 549, A96 (2013)
  • R. A. Motiyenko, B. Tercero, J. Cernicharo, and L. Margulès. "Rotational spectrum of formamide up to 1 THz and first ISM detection of its ν12 vibrational state". A&A 548, A71 (2012)