Axe Chimie insterstellaire

Travail de recherche commencé le 10 octobre 2016

Laboratoires co-porteurs
Mots clés

H2O - Conversion de Spin Nucléaire - Matrices de gaz rare - Spectroscopie infrarouge - cryogénie - Astrophysique de Laboratoire - télescope Herschel - barre d’Orion - physico-chimie du milieu interstellaire - Région Dominée par les Photons - PDR

Projet de recherche

Dans le cadre du projet SPACEOPARA, Thomas Putaud prépare sa thèse de doctorat sur l’évolution des états de spin nucléaire de la molécule d’eau en laboratoire et dans le milieu interstellaire. Ce travail se fait dans le cadre d’une collaboration très forte entre une équipe expérimentale et une équipe d’astrophysique du LERMA.

La question à laquelle essaie de répondre Thomas Putaud concerne les rapports d’isomères de spin nucléaire des molécules d’eau observés dans l’espace et ce qu’ils nous disent sur l’histoire physico-chimique des molécules dans les régions de l’espace où naissent les étoiles.

Du fait du spin demi-entier des protons, la molécule d’eau comme les autres molécules hydrogénées possède plusieurs configurations dites de spin nucléaire. Dans le cas de l’eau, les molécules qui possèdent un spin nucléaire total nul sont dites para tandis que celles possédant un spin nucléaire total de 1 sont dites ortho. Du fait du principe d’exclusion de Pauli, la fonction d’onde totale doit être anti-symétrique par tout opération de symétrie qui échange les positions des 2 protons de la molécule. La conséquence est que les molécules ortho et para ont des spectres d’absorption infrarouge différents. Il est donc possible de mesurer par spectroscopie les quantités de molécules para et ortho et en déduire un paramètre appelé OPR (acronyme anglais du terme « Ortho-to-Para Ratio »). A partir de télescopes au sol ou de télescopes spatiaux dédiés à l’analyse de la lumière dans les gammes radio et infrarouge, il est donc possible de quantifier les OPR dans des environnements spatiaux très variés (atmosphères cométaires, nuages moléculaires sombres et denses, régions dominées par les photons). Souvent il a été remarqué que le rapport OPR mesuré est sensiblement différent de celui attendu dans les conditions de température des milieux explorés. L’OPR est donc un indicateur d’un déséquilibre dont l’origine est peu claire.

Le travail de Thomas Putaud consiste d’une part à analyser des données observationnelles dans la région correspondant la barre d’Orion qui ont été collectées par le télescope Herschel. A partir de l’émission des isotopes H216O et H218O et à l’aide d’un modèle de photo-chimie appelé « Meudon-PDR code », Thomas Putaud cherche les paramètres (densités de molécules, flux de photons UV, abondances des différentes espèces de spin nucléaire de l’eau) pouvant expliquer les observations. Le modèle, ne prenant en compte que la chimie de l’eau en phase gazeuse, montre que l’OPR peut s’expliquer par la présence d’une quantité importante d’eau dans une région du nuage dans laquelle il règne une température proche de 30 K. L’OPR est alors de 2,6 et est plus bas que la valeur de 3 attendue à « haute température ». Cette analyse remet en cause notamment une valeur beaucoup plus basse reportée dans la littérature. Le modèle Meudon PDR code dans sa version actuelle ne prend en compte que la chimie en phase gazeuse or on sait que dans le nuage moléculaire des grains solides sont présents en quantité non négligeables. La température froide du milieu implique que les interactions avec les grains peuvent jouer un rôle sur l’équilibration des états ortho et para mais les données de laboratoire manquent pour proposer une modélisation réaliste de ces interactions gaz-grain. C’est pourquoi Thomas Putaud effectue des mesures de temps de relaxation des états de spin nucléaire à basse température et développe une expérience qui permettra à terme de produire un déséquilibre entre les nombre d’espèces ortho et para en phase gazeuse. Ce dispositif permettra à plus long terme d’étudier le comportement des états ortho et para de l’eau lorsque les molécules interagissent avec de la glace à très basse température. Ce dernier développement se fera avec une technique de pompage optique par laser co-financé par le LabEx MiChem (AAP 2017) et la Région Ile de France (DIM ACAV+).

Figure (a) Image de la région PDR de la barre d'Orion. (b) Spectres d'émission des espèces ortho et para de H216O telles que mesurés par l'instrument HIFI du télescope Herschel (c) Courbes d'émissivité locale et évolution des rapports ortho/para (OPR) pour les isotopes H216O et H218O en fonction de la profondeur dans le nuage moléculaire (proportionnelle à l'extinction UV notée Av) obtenus par comparaison des données observationnelles avec les observables issues du modèle de PDR développé à Meudon (Meudon PDR Code).
Conférences invitées
  1. X. Michaut, T. Putaud, D. Lis, A. Moudens, L. Philippe, P. Jeseck, M. Bertin, J.-H. Fillion, P. Cacciani, J. Cosléou, P.-A Turgeon, J. Vermette, P. Ayotte, R. Georges et C. Pardanaud Etats de spin nucléaire de l'eau : du confinement extrême à l'espace Congrès général de la SFP, Mini-Colloque sur l'eau, 3-7 Juy 2017, Orsay, France
  2. X. Michaut, T. Putaud, A. Moudens, L. Philippe, P. Jeseck, M. Bertin, J.-H. Fillion, P. Cacciani, J. Cosléou, P. Cermak, and C. Pardanaud What do we know about time scales for the nuclear spin conversion in molecular ices and at the solid-gas interface? Nuclear Spin Effect in Astrochemistry Workshop 2-4 May 2017, Grenoble, France
  3. D. Lis, T. Putaud, X. Michaut, F. Le Petit, E. Roueff, and J.-H. Fillion OPR in Water in the Interstellar Medium Nuclear Spin Effect in Astrochemistry Workshop, 2-4 May 2017, Grenoble, France
Communications orales sans actes 
  1. T. Putaud, X. Michaut, M. Bertin, R. Dupuy, G. Féraud, P. Jeseck, F. Le Petit, L. Philippe, E. Roueff, J.-H. Fillion and D. C. Lis Ortho-to-Para Ratio of Water in the Orion Bar. Conférence biennale du programme national Physique et Chimie des Milieux Interstellaires et Circumstellaires (PCMI), 25-29 juin 2018, Marseille, France
  2. T. Putaud, X. Michaut, M. Bertin, J.H.Fillion, F. Le Petit, E. Roueff, and D. Lis Low temperature evolution of the nuclear spin isomers of water in space and laboratory: SPACEOPARA Project  Journée annuelle du labex Michem, 15 juin 2017, Paris, France
  3. Thomas Putaud, Xavier Michaut, and Darek Lis SPACEOPARA project Physical-Chemistry of water molecules revealed by ortho-para ratios: from laboratory to space Journée annuelle du labex Michem, 15 sept 2016, Paris, France 
Communications par affiche sans actes
  1. T. Putaud, X. Michaut, M. Bertin, G. Féraud, R. Dupuy, P. Jeseck, L. Philippe, J.-H. Fillion and D. Lis Experimental investigations on nuclear spin-state equilibration of water at low temperature under LASER irradiation Conférence biennale du programme national Physique et Chimie des Milieux Interstellaires et Circumstellaires (PCMI), 24-28 octobre 2016, Lille, France
  2. T. Putaud, J. Vermette ,  G. Alexandrovic ,  M. Bertin, I. Braud, J.-H. Fillion,  X. Michaut, L. Phillipe, B. Tremblay, P.-A. Turgeon , P. Soulard  and  P. Ayotte Effect of rare gas matrix confinement on water nuclear spin conversion, Zurich, PCI, (2018)   
Publications
  • T. Putaud, X. Michaut, F. Le Petit, E. Roueff, and D. C. Lis
    Ortho-to-para ratio of water in the Orion Bar
    To be submitted in Astronomy & Astrophysics