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Projet PILSE : Pôle Inter Laboratoire de Sciences Expérimentales pour le développement des aspects de chimie /astrochimie dans les missions spatiales et le traitement de données issues de celles-ci

par Grégoire DANGER - publié le

Dr. G. Danger

- Contexte Scientifique

Dans ce projet nous nous intéressons à retracer l’évolution chimique de la matière organique dans le milieu interstellaire en ayant recours à des expériences de simulation en laboratoire. Nous reproduisons les premiers matériaux de l’Univers, que sont les grains de poussières interstellaires et les différents processus énergétiques (effets thermiques, photochimiques..) auxquels ils ont été soumis. Notre objectif est d’établir le lien entre les constituants primitifs des glaces (H2O, NH3, CH3OH, H2CO, CH4, CO2) et les molécules organiques détectées dans les comètes ou les météorites. Nos expérimentations sont ainsi complémentaires aux observations astrophysiques et apportent des informations concernant la composition chimique ainsi que l’évolution chimique des petits corps du système solaire que sont les comètes, les astéroïdes mais aussi les surfaces de satellites planétaires ou d’objets transneptuniens (TNO).
Nos simulations expérimentales consistent dans un premier temps à former à basse température (10-80K) et basse pression (10-9 mbar) un analogue de glace (contenant par exemple H2O, NH3, CH3OH…). Cette glace est ensuite soumise à différents processus physiques ou chimiques (ex. irradiation VUV et/ou réchauffement), simulant ainsi l’évolution d’une surface glacée relative à différents objets. Lorsque ces analogues de glaces altérés sont réchauffés, des composés volatils sont délivrés dans la phase gazeuse. L’analyse de ces volatils s’avère très intéressante pour proposer un inventaire complet des molécules qui peuvent être détectées dans l’environnement gazeux d’objets astrophysiques telles que les comètes (projet VAHIIA, ANR-12-JS08-0001-01, 2012-2015). Les résultats obtenus permettront à terme d’apporter des informations quant à la nature et l’abondance de ces COV, données essentielles pour le traitement de données provenant de missions spatiales telles que la mission Rosetta. Ces composés volatils, avant leur désorption, sont également des précurseurs permettant la formation de molécules plus complexes et plus réfractaires. Le résidu organique ainsi formé après désorption de l’eau (molécule majoritaire de ces glaces) est considéré comme un analogue de la matière organique susceptible d’être présente au sein des objets interplanétaires (comètes, astéroïdes). Il est même probable qu’il soit à l’origine de la couche sombre observée par la sonde Rosetta, lors du survol de la comète 67-P. Ces résidus sont constitués d’une multitude de composés réfractaires qui, par leur solubilité importante dans l’eau, peuvent avoir un intérêt majeur pour la chimie prébiotique (chimie qui a précédé l’émergence du vivant sur Terre). En utilisant différentes techniques analytiques, notre but est de déterminer la composition chimique globale de ces résidus, ainsi que les différentes étapes qui ont mené à la formation de cette matière organique (projet RAHIIA, ANR RAHIIA_SSOM, 2016-2021).

- Objectifs Scientifiques

Lorsque l’on s’intéresse à l’évolution de la matière organique d’un objet astrophysique, que ce soit un grain interstellaire, une comète/astéroïde ou un satellite planétaire, deux environnements de ces objets sont importants à prendre en compte selon leurs degrés d’évolution, à savoir la phase gazeuse et la phase solide. La phase solide peut évoluer d’une glace irradiée vers un mélange de glace et d’un résidu organique pour finalement aboutir à la formation d’un résidu organique seul suivant l’histoire de l’objet considéré. A travers nos simulations expérimentales, nous sommes capables de caractériser avec différentes techniques analytiques ces environnements. Nous avons déjà montré qu’un lien existe entre la composition initiale des glaces à l’origine des résidus organiques, et les variations de la composition de ces mêmes résidus. Nous avons de plus des premiers résultats qui montrent l’impact que peut avoir la composition des glaces sur le type et l’abondance d’espèces détectées en phase gazeuse.

Notre objectif est donc de déterminer quels liens peuvent exister entre les molécules organiques détectées en phase gazeuse, les compositions initiales des glaces et leurs modes d’altération, et la composition des résidus avant et après altération. Par exemple, jusqu’à quel degré une analyse de la phase gazeuse d’un objet pourrait nous informer sur la réactivité chimique se déroulant à sa surface ou à l’intérieur de celui-ci, et ainsi pouvoir obtenir indirectement des formations sur la composition de cet objet. Cette approche nous permettra de plus de déterminer à partir de quel degré de complexité du système (ex. présence de minéraux) ces relations ne peuvent plus être établies de manière fiable.

Si nous parvenons à déterminer les liens qui peuvent exister entre les différents environnements d’un objet et leurs limites, notre objectif est de proposer un ensemble d’outils analytiques permettant la caractérisation de la phase gazeuse et de la phase solide à distance et in situ. Ces outils pourront être incorporés à une sonde spatiale et permettre ainsi la caractérisation d’un objet interplanétaire.

Nos simulations utilisent deux techniques usuellement embarquées sur des sondes spatiales, un chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse (GC-MS, analyse phase gazeuse) et la spectrométrie infrarouge (analyse d’objets à distance). Une autre technique très prometteuse que nous utilisons est la spectrométrie de masse très haute résolution à travers l’orbitrap qui est en cours de spatialisation. A travers nos expérimentations, nous serons capables de déterminer les liens entre les différentes données obtenues et ainsi obtenir des informations sur la composition et la dynamique de ces objets.

De manière générale, l’ensemble de nos développements est en lien direct avec la recherche spatiale en permettant l’interprétation de données collectées lors de missions spatiales afférentes à différents objets. Nos simulations en laboratoire peuvent avoir en effet un impact essentiel au cours des différentes phases de programmes spatiaux à travers les différents points ci-dessous :

1- Préparer aux développements des appareils d’analyse chimique de futures missions spatiales,
2- Tester et qualifier les prototypes des missions spatiales,
3- Limiter les risques liés à ces missions,
4- Développer et valider les outils d’analyse relatifs aux traitements des données issues des missions spatiales,
5- Optimiser les retours scientifiques des missions spatiales développées.

Le point 1 est relatif à la capacité qu’ont les simulations expérimentales à prévoir la nature de la matière organique qui va pouvoir être présente dans l’environnement à étudier et ainsi permettre le développement d’outils analytiques spécifiques à l’analyse du milieu dans lequel va se dérouler la mission spatiale. Le point 2 consiste à tester et qualifier les instruments d’analyses avant leur utilisation spatiale sur des analogues issus des simulations expérimentales. Ces deux premiers points permettent donc de minimiser les risques liés aux objectifs d’analyse spatiale de la matière organique en recherchant les conditions analytiques optimales à l’analyse de la matière organique dans un environnement donné (point 3). Par ailleurs, l’approche expérimentale en laboratoire permet en amont de développer les concepts et outils d’analyse pour le traitement des données issues de ces mêmes missions spatiales (point 4). Enfin, les simulations expérimentales permettront de mieux appréhender les recherches à réaliser dans les objets astrophysiques étudiés et d’avoir une meilleure compréhension des données reçues (point 5).

Il est donc important de pouvoir à terme créer une synergie entre les laboratoires spécialisés dans la simulation expérimentale d’environnements astrophysiques (CEREGE, PIIM, ICN) et ceux s’intéressant aux développements d’outils d’analyse pour le spatial (CEREGE, LAM). Du fait de cette synergie, il sera possible d’optimiser au maximum les outils développés ainsi que les retours scientifiques de ces missions. Cette synergie prend naissance au sein de la Région PACA à travers la mise en place du Pôle de Science Planétaire de l’Université d’Aix-Marseille. Ce pôle permet de regrouper à travers les quatre laboratoires partenaires (LAM, le CEREGE, et le PIIM ainsi que l’ICN), une richesse de compétences allant des observations d’objets astrophysiques au développement d’outils spatiaux et simulations d’environnements de ces objets.

- Projets en cours

Le GC-orbitrap comme analyseur de matière organique pour de futures missions spatiales

En 2013, le PIIM a développé avec un financement de l’ANR (ANR VAHIIA) un système novateur permettant d’analyser les COV provenant du réchauffement d’analogue de glaces astrophysiques. Par rapport aux systèmes existants, l’approche développée est la seule actuellement qui permet de quantifier les espèces présentes au sein de la phase gazeuse. Cette quantification a ainsi été possible en couplant la chambre de simulation à un chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse (GC-MS). Ainsi, les données obtenues peuvent être directement comparées aux observations. Cependant, le spectromètre de masse utilisé ne présente qu’une résolution unitaire, rendant l’identification des COV difficile. En parallèle de ces analyses de COV, le PIIM a développé une stratégie analytique innovante permettant de tester les potentialités de la technologie orbitrap qui est un analyseur de masse à très haute résolution, pour l’analyse de la matière organique réfractaire (résidus) formée lors des expérimentations. Cette matière organique étant considéré comme un analogue de la matière organique soluble de météorites, ces expérimentations ont permis de mettre en évidence la pertinence d’utiliser une telle technologie pour l’analyse de la matière organique d’objets astrophysiques. Le CNES soutient fortement ces deux démarches. Par ailleurs, la spatialisation de l’orbitrap est actuellement en cours de développement au sein du consortium CosmoOrbitrap à travers une R&T CNES. La présente demande a pour objectif de démontrer les potentialités apportées par le couplage d’un chromatographe en phase gazeuse à un spectromètre de masse haute résolution, l’orbitrap, pour l’analyse de COV issus d’objets astrophysiques. Le second objectif est de démontrer là aussi la capacité d’un tel système pour l’analyse de molécules cibles (acides aminés, sucres…) à travers l’expérience développée par l’ICN pour analyser la matière organique soluble. Ce GC-orbitrap qui est une technologie de pointe et très récente (aucun GC-orbitrap n’est encore disponible dans les laboratoires académiques en Europe) sera un élément central des recherches en astrochimie et astrophysique du Pôle de Sciences Planétaires et de la région PACA. Les données issues de ces recherches seront donc les premières à être réalisées à partir d’une telle technologie dans un contexte de compréhension de l’évolution des objets interplanétaires et dans l’optique de démontrer l’intérêt d’une spatialisation d’un dispositif GC-orbitrap pour l’analyse in situ de la matière organique extraterrestre.

Au-delà de l’objectif même de ce projet, l’acquisition d’un GC-Ocréeraap créer un pôle d’attractivité important en recherche analytique que ce soit au niveau de l’Université d’Aix-Marseille, de la région PACA et au niveau national, étant donné qu’aucun dispositif de la sorte n’est encore disponible dans le milieu académique. Cette nouvelle technologie sera testée sur un ensemble d’échantillons et de thématiques différentes, puisqu’il est convenu au sein du projet PILSE que 25% du temps d’expérimentation sera rendu disponible à la communauté scientifique autre qu’astrophysique.