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Des nouvelles sur la formation des molécules et poussières d’étoiles

29/10/2019

Une équipe de recherche, issue de laboratoires espagnols et français (1), a recréé en laboratoire les conditions proches de celles mises en jeu dans la formation des poussières d’étoiles carbonées dans l’environnement des géantes rouges. Les expériences menées montrent la présence de nanograins de carbone amorphe et de composés moléculaires très pauvres en aromatiques. La question de la formation desmolécules polycycliques aromatiques hydrogénées, une composante importante dans l’évolution physique et chimique des régions de formation stellaire et planétaire, reste donc ouverte.

Le cycle de vie des étoiles joue un rôle important dans la complexification de la matière. En fin de vie, les étoiles de masses faibles à moyennes, comme notre Soleil, deviennent des géantes rouges, éjectant de grandes quantités de matière relativement chaude et dense. Les nouvelles molécules et nanograins formés par cette matière diluée dans le milieu interstellaire constituent les poussières d’étoiles. Ces dernières sont les briques de formation de nouvelles étoiles et systèmes planétaires, ainsi qu’une source d’ingrédients pour l’émergence de la vie.

La nature des nanograins formés reste néanmoins très mal connue. Or cette connaissance est nécessaire pour évaluer leur rôle dans les processus physico-chimiques impliquant les rayonnements énergétiques et l’interaction avec le gaz qui amène à la formation de molécules complexes à la surface de ces nanograins. Caractériser l’ensemble de ces processus constitue une branche d’activité importante en astrochimie et astrophysique de laboratoire.

La formation des poussières dans les enveloppes d’étoiles riches en carbone (par rapport à l’oxygène) a été modélisée en s’inspirant de la chimie dans les flammes d’hydrocarbures. Celle-ci aboutit à la formation de molécules de type polycycliques aromatiques hydrogénées (PAH) comme le pyrène et de particules de type suie, toutes deux bien connues sur Terre comme polluants. Or, les PAH sont justement une composante importante des milieux astrophysiques renfermant plus de 10% du carbone de notre Galaxie. Se poser la question de leur formation est donc essentiel. Cependant, les poussières carbonées sont difficiles à observer dans les enveloppes d’étoiles, par manque de signatures spectrales spécifiques.

Analyse des analogues de poussières d’étoiles carbonées produits par la machine Stardust : (a) image par microscopie à force atomique des nanograins de carbone amorphe ; (b) image plus détaillée par microscopie électronique en transmission à balayage à basse température (4K) : leur surface est couverte de petites molécules contenant 2-3 atomes de carbone ; (c) composition moléculaire des plus grandes espèces déterminée par le dispositif AROMA (désorption-ionisation laser et spectrométrie de masse).

Afin de mieux comprendre la nature des poussières d’étoiles, l’équipe du projet Nanocosmos a construit un dispositif complexe d’astrophysique de laboratoire, la machine Stardust, qui permet de simuler de manière plus précise, en comparaison aux expériences réalisées à ce jour, les conditions physiques et chimiques dans ces étoiles. En particulier il s’agit de reconstituer la formation des poussières étapes par étages : depuis les atomes de la photosphère vers des petites molécules (les germes) qui vont déclencher la formation des poussières. Des échantillons d’analogues de poussières d’étoiles ont été produits en utilisant un mélange d’atomes de carbone et d’hydrogène moléculaire dans des proportions comparables à celles des enveloppes des géantes rouges et avec une température d’environ 1000 K. Ils ont été caractérisés avec différentes techniques d’analyse comme la microscopie électronique et la spectrométrie de masse.

Ces analyses ont révélé la formation de nanograins de carbone amorphe et de molécules comprenant jusqu’à 19 atomes de carbone et incluant des espèces aliphatiques mais pas ou très peu d’espèces aromatiques, comme le suggèrent les modèles précédemment établis. Les grains de carbone amorphe apparaissent donc comme de bons candidats pour ces poussières d’étoiles. Par contre la chimie en phase gazeuse mise en jeu n’aboutit pas à la formation de PAH pour lesquels d’autres scénarios doivent donc être explorés. Une possibilité pourrait être l’évolution de matière aliphatique présente à la surface de ces poussières sous l’effet du rayonnement ultraviolet qui est émis lorsque l’étoile va se contracter et devenir une nébuleuse planétaire.

 

Note

(1) Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP, Université de Toulouse / CNRS / CNES)

Ressources complémentaires

  • Publication scientifique: Lidia Martínez,Gonzalo Santoro, Pablo Merino, Mario Accolla, Koen Lauwaet, Jesús Sobrado, Hassan Sabbah, Ramón J. Pelaez, Victor J. Herrero, Isabel Tanarro, Marcelino Agúndez, Alberto Martín-Jimenez, Roberto Otero, Gary J. Ellis, Christine Joblin, José Cernicharo and José A. Martín-Gago. Prevalence of non-aromatic carbonaceous molecules in the inner regions of circumstellar envelopes.Nature Astronomy(2019) doi : 10.1038/s41550-019-0899-4
  • Le projet ERC Synergy Nanocosmosfinancé par le Conseil Européeen de la Recherche est piloté par deux chercheurs du CSIC, José Cernicharo et José Angel Martín-Gago, et une chercheure du CNRS/Université de Toulouse 3, Christine Joblin. Plus d'information sur ce lien.
  • Site Web dédié au projet NanoCosmos: https://nanocosmos.iff.csic.es/
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