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Deutérium: du Big Bang à la chimie interstellaire

Charlotte Vastel (CESR) et l’équipe CHESS

[ 31 août 2010 ]

 

L’eau lourde, ou oxyde de deutérium (D2O), est chimiquement similaire à l’eau (H2O), mais ses atomes d’hydrogène sont des isotopes lourds, à savoir du deutérium dont le noyau contient un neutron en plus du proton présent dans chaque atome d‘hydrogène. Des astronomes ont réussi à détecter cette forme particulière d'eau dans une parcelle du ciel où des étoiles sont entrain de se former. Ces observations ont été réalisées grâce à l'instrument HIFI sur Herschel. L'étude de l'eau ainsi que ses formes deutérées (HDO et D2O) devrait permettre de mieux comprendre les mécanisme de la formation stellaire à travers leur production dans un réseau chimique complexe à l'origine de la vie telle que nous la concevons sur Terre. Ces résultats font partie du programme CHESS (Chemical HErschel Surveys of Star-forming regions).

Le deutérium et les origines du monde.

Figure 1: Molécule d’eau lourde (D2O). Figure 1: Molécule d’eau lourde (D2O).
Le deutérium est un élément important pour la compréhension de la formation de l’Univers en général. En effet, il s’est formé lors de la nucléosynthèse primordiale du Big Bang et est depuis détruit par les réactions nucléaires au sein des étoiles. Hormis lors du Big Bang il n’existe pas de processus de formation du deutérium. Cet élément est par conséquent un élément clé pour expliquer l’origine et même l’évolution de notre Univers en apportant des contraintes fortes sur les conditions physiques au cours des premières minutes de l’expansion de l’Univers et par conséquent de la densité baryonique (cf. Figure 2). Notons que les baryons les plus courants sont les nucléons, c'est-à-dire les protons et les neutrons. Il existe des différences notable dans les estimations d’abondance du deutérium atomique, différences pouvant être expliquées par les processus chimiques du milieu interstellaire permettant d’extraire de grandes quantités de deutérium qui est alors “piégé” par les molécules en phase gazeuse ainsi qu’à la surface des grains.
Figure 2: Abondance des éléments Figure 2: Abondance prédites des différents éléments issus de la nucléosynthèse du Big Bang (4He, D, 3He, 7Li) en fonction du rapport baryons/photons η. Les bandes rayées horizontales résultent des observations. La bande verticale correspond à la densité baryonique déduite des observations du satellite WMAP amenant à D/H = 2.68 10-5 (Coc & Vangioni 2010, Big-Bang Nucleosynthesis with updated nuclear data) à comparer avec les observations récentes du VLT avec D/H = 2.82 10-5 (Pettini et al. 2008, MNRAS 391, 1499).

 

 

Le deutérium dans le milieu interstellaire.

Les mesures d’abondance de deutérium sont difficiles à réaliser. Les molécules deutérées, qui contiennent un ou plusieurs atomes de deutérium (D), sont en comparaison beaucoup plus faciles à observer, à notre grande surprise. Depuis la première détection d’une molécule deutérée en 1973 (DCN: Jefferts et al., Wilson et al.) un nombre de plus en plus élevé de molécules deutérées ont été détectées avec DCN, HDO, DCO+, HDCO, N2D+, etc. Une étape importante a été franchie avec en 1990 la première détection d’une molécule doublement deutérée, D2CO, en direction d’Orion (Turner) avec une abondance relative élevée (D2CO/H2CO = 2.94 10-3), attribuée à une chimie active à la surface des grains. Par la suite un grand nombre de molécules doublement deutérées ont été détectées dans le milieu interstellaire (D2CO, NHD2, CHD2OH, D2S, D2H+, D2CS, D2O) et même triplement deutérées (ND3, CD3OH), avec des abondances relatives d’environ 10-4, soit 11 ordre de magnitude par comparaison avec l’abondance D/H observé dans le milieu interstellaire local (~ 1.5 10-5). Ces molécules deutérées sont de très bon traceurs des phases froides des nuages moléculaires avant l’étape de formation stellaire. Ces processus de fractionnement chimique proviennent de la différence des énergies de liaison moléculaire, due à la différence des énergies de vibration du point zéro. Cette différence est négligeable dans notre milieu mais importante aux températures des coeurs froids. Les modèles de chimie en phase gazeuse permettent d’expliquer relativement bien les abondances de molécules simplement deutérées mais ne permettent pas d’expliquer les fortes abondances observées pour les molécules doublement, voire triplement deutérées. Les processus de chimie à la surface des grains doivent être alors pris en compte. La figure 3 explique très succinctement ces deux processus.

Figure 3: Processus de fractionnement Figure 3: Processus de fractionnement en phase gazeuse et à la surface des grains. Les molécules deutérées piégées sur les grains sont alors relâchées en phase gazeuse lorsque qu’une étoile en formation proche réchauffe l’environnement et permet l’évaporation de ces molécules.

 

 

L'eau lourde dans le milieu interstellaire.

L’eau (H2O) est la troisième espèce la plus abondance dans l’Univers et tient une place privilégiée dans l’étude de la formation stellaire, car synonyme de vie. L’eau a notamment un rôle important dans la chimie des atmosphères des exoplanètes. L’eau est très peu abondante dans les nuages moléculaires froids car “gelé” à la surface des grains, formant ainsi un manteau de glace. Les modèles théoriques actuels combinés avec les observations permettent de penser que l’eau s'est formée à la surface des grains présents dans les nuages moléculaires froids. On pense de la même manière que l’eau deutérée s’est aussi formée à la surface de ces mêmes grains et Herschel nous permet pour la première fois de tester les modèles théoriques en apportant une sensibilité unique à la fois pour H2O, dont l'observation est impossible depuis le sol du fait de la saturation des mesures par l'eau de notre atmosphère, et pour D2O.

Figure 4: Niveau d'énergie

Figure 4: Niveaux d’énergie pour les 2 transitions fondamentale de l’eau lourde.

L’eau lourde possède deux symétries, ortho et para (cf. Figure 4), ce qui revient à avoir deux sous-types de molécules devant être traitées indépendamment. La transition fondamentale de la symétrie para, à 316.8 GHz, a été détectée au James Clerk Maxwell Telescope (Hawaii, Etats-Unis) en 2007, dans la direction d’IRAS 16293, une parcelle du ciel dans ρ Ophiucus où une étoile ressemblant à notre Soleil est en fabrication. La méconnaissance du rapport ortho/para ne permettait alors pas de déterminer une abondance totale (ortho + para) de l’eau lourde. Les données de l’instrument HIFI nous ont permis d’observer la transition fondamentale ortho à 607.4 GHz en direction de cette même source (Vastel et al. 2010, HIFI A&A Special Issue; Figure 5).

Figure 4: D2O dans IRAS 16293 Figure 5: Région ρ Ophiucus abritant la région de formation d’étoiles de faible masse, IRAS 16293 dans laquelle a été détectée l’eau lourde pour la première fois.

Des cartes de la poussière interstellaire, mêlée au gaz, ont été utilisées pour reconstruire la structure en température et densité de l’enveloppe de la source IRAS 16293. L’absorption du continuum par l’eau lourde est selon toute vraisemblance due à l’enveloppe froide qui entoure le coeur chaud, enveloppe bien plus étendue que la région émettant le continuum. Ces observations des transitions ortho et para permettent pour la première fois une détermination directe du rapport ortho/para de l’eau lourde, avec une limite supérieure de 2.6. Cette valeur peut être comparée à la valeur de Boltzman, entre 2 et 3, aux températures de l’enveloppe froide (entre 10 et 30 K). Néanmoins, D2O peut s’être aussi formé lors d’une phase antérieure, lorsque le gaz était bien plus froid, ayant eu le temps de thermaliser à la valeur de Boltzman. Les mécanismes d’échange de spin sont encore malheureusement peu connus, que ce soit en phase gazeuse par réaction avec des ions permettant un déplacement d’atome (cf. Figure 6), ou encore à la surface des grains avec interaction des spins électroniques ou même nucléaires. Les molécules d’eau lourde peuvent au final se former avec une valeur du rapport ortho/para, puis “geler” à la surface des grains, pouvant alors modifier ce rapport, et enfin être relâchés en phase gazeuse. L’abondance [D2O]/[H2] déduite de ces observations est de l’ordre de 2 10-11. Très prochainement, les observations avec l’instrument Herschel/HIFI des transitions de l’eau à très haute résolution de cette région devraient nous apporter d’autres arguments.

Figure 6: Echange de spin Figure 6: Exemple d’échange de spin lors de la réaction entre D2O et l’ion H2D+.

 

 

Pour en savoir plus :

 

 

 

Vue d'artiste animée de l'Observatoire Spatial Herschel : plongée au cœur des mystères de l'Univers. (Crédits: ESA)

 

 

 

Herschel-HIFI dévoile les précurseurs de molécules de vie dans la Nébuleuse d'Orion

[ 4 mars 2010 ]

 

L'Observatoire Spatial Herschel de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) a révélé les empreintes de molécules organiques potentiellement porteuses de vie, dans la Nébuleuse d'Orion, une proche pouponnière stellaire dans notre Voie Lactée. Ce spectre détaillé, obtenu avec HIFI (Heterodyne Instrument for the Far-Infrared - Instrument Hétérodyne pour l'Infrarouge Lointain) - l'un des trois instruments novateurs à bord d'Herschel - illustre la mine d'informations qu'Herschel-HIFI apportera sur la formation des molécules organiques dans l'espace.

 

Orion avec Herschel/HIFI

Spectre HIFI de l'eau et de molécules organiques dans la Nébuleuse d'Orion

Ce spectre HIFI a été obtenu pour le programme clé Herschel "HEXOS", une étude scientifique utilisant les instruments d'Herschel HIFI et PACS pour réaliser des relevés spectraux de cinq sources dans les nuages d'Orion de Sagittarius B2. Les droits d'exploitation scientifiques de ces observations Herschel sont la propriété du consortium HEXOS mené par E. Bergin (Université du Michigan).

Crédits: ESA, HEXOS et le consortium HIFI

 

Ce spectre, l'un des premiers obtenus avec HIFI depuis son retour en forme olympique en janvier 2010, suite à des difficultés techniques, démontre clairement que l'instrument fonctionne très bien. Les aspects frappants dans ce spectre d'HIFI incluent une riche et dense suite de "pics", chacun représentant une signature du rayonnement émis par les molécules présentes dans la Nébuleuse d'Orion. Cette nébuleuse est réputée pour être l'une des "usines chimiques" les plus productives de l'espace, bien que toute l'ampleur de cette chimie et les voies de formation des molécules ne sont pas encore bien comprises. En cherchant parmi les pics du spectre, les astronomes ont identifié plusieurs molécules bien connues dont les signatures apparaissent à maintes reprises dans le spectre. L'identification des nombreuses autres raies d'émission est actuellement en cours.

En identifiant clairement les raies associées avec les molécules les plus usuelles, les astronomes peuvent alors commencer à extraire les signatures de molécules particulièrement intéressantes du fait de leur lien direct avec des molécules porteuses de vie. Une des caractéristiques du spectre d'Orion est sa richesse spectrale: parmi les molécules qui ont été identifiées dans ce spectre, il y a l'eau, le monoxyde de carbone, le formaldéhyde, le méthanol, le diméthyl éther, le cyanure d'hydrogène, l'oxyde de soufre, le dioxyde de soufre, et leurs isotopomères. On s'attend également à ce que de nouvelles molécules organiques soient identifiées.

"Ce spectre HIFI, et les nombreux autres à venir, sera un véritable trésor d'informations en ce qui concerne l'inventaire chimique, et le mode de formation des molécules organiques dans une région de formation d'étoiles. Il présage une compréhension approfondie de la chimie dans l'espace, dès lors que le relevé spectral complet sera disponible", se réjouit Edwin Bergin de l'Université du Michigan, responsable ("Principal Investigator") d'HEXOS, un des programmes clés d'Herschel.

 

Résolution spectrale sans précédent

HIFI a été conçu pour fournir des spectres à ultra-haute résolution, et pour ouvrir les recherches vers de nouvelles gammes de longueurs d'onde, inaccessibles avec des télescopes basés sur Terre. "C'est époustouflant de voir comme HIFI fonctionne à merveille", se passionne Frank Helmich du SRON (Institut de Recherche Spatiale des Pays-Bas), responsable ("Principal Investigator") de HIFI. "Nous avons obtenu ce spectre en quelques heures et il surpasse déjà largement tous les autres spectres, à toutes les autres longueurs d'onde, jamais mesurés sur Orion. Les molécules organiques sont présentes partout dans ce spectre, même aux niveaux les plus bas, ce qui prouve la haute-fidélité de HIFI. Le développement de HIFI a pris plus de dix ans, mais cela en valait vraiment la peine."

"La haute résolution et la stabilité sans précédent de HIFI nous permet de construire des modèles détaillés des structures en densité et en température des nuages de formation stellaire", explique Tom Phillips du California Institute of Technology. "La vision de HIFI nous permet de percer le voile qui entoure la formation d'étoiles, et d'étudier plus directement la chimie associée avec la naissance des étoiles, des planètes, et d'une certaine façon, de la vie."

Le spectre a été obtenu seulement un mois après que HIFI ait repris ses opérations à bord d'Herschel. En aout 2009, HIFI a été victime d'une surchage de tension inattendue dans le système électronique, probablement due à l'impact d'une particule cosmique de haute énergie, ce qui a provoqué la mise hors service de l'instrument. L'équipe technique attachée à cette mission a étudié le problème et mis au point une solution pour empêcher les effets secondaires nocifs de ce genre d'événement. Le 14 janvier 2010, HIFI a été rallumé avec succès grâce à l'utilisation de son système électronique de secours, et a recommencé une série de test et vérifications, avant de pouvoir enfin reprendre ses observations scientifiques le 28 février. HIFI rejoint maintenant les deux autres instruments d'Herschel, SPIRE et PACS, dans leur exploration de l'Univers dans l'infrarouge lointain.

 

Notes :

Herschel est un observatoire spatial de l'ESA, dont les instruments ont été fournis par des consortia majoritairement sous responsabilité européenne, avec une importante participation de la NASA.

HIFI est un spectromètre à haute résolution, conçu et construit par un consortium financé nationalement, mené par le SRON, l'Institut de Recherche Spatiale des Pays-Bas. Le consortium inclut des laboratoires basés en France, Allemagne, Etats-Unis, Canada, Irlande, Italie, Pologne, Russie, Espagne, Suède, Suisse, et Taiwan.

Les laboratoires français impliqués sont: le Centre d'Etude Spatiale des Rayonnements (CESR; INSU-CNRS, Université Paul Sabatier, Observatoire Midi-Pyrénées) ; le Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux (LAB; Université de Bordeaux 1, Observatoire Aquitaine des Sciences de l’Univers) ; le Laboratoire d'Etude du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA; INSU-CNRS, Observatoire de Paris, Université Cergy-Pontoise, Université Pierre et Marie Curie, Ecole Normale Supérieure).

Le CESR est le laboratoire responsable de la réalisation du spectromètre HRS (High-Resolution Spectrometer), un des sous-systèmes de l'instrument HIFI, dont le CESR est le responsable au niveau national en France (le responsable international de HIFI étant le SRON, l'Institut de Recherche Spatiale des Pays-Bas). En particulier, le CESR a effectué l'étalonnage et l'intégration du HRS dans HIFI. De plus, le CESR joue un rôle important dans le Centre de Contrôle de l'Instrument (ICC), chargé de la préparation des logiciels de traitement des données et de manière générale du suivi du fonctionnement de HIFI. Enfin, le CESR est fortement impliqué dans l'exploitation des données scientifiques Herschel et tout particulièrement celles obtenues par HIFl, avec d'importantes participations dans plusieurs programmes clés de cet observatoire spatial.

L'identification des molécules, basée sur la correspondance entre les nombreuses signatures spectrales visibles dans le spectre d'Orion et les transitions répertoriées pour les espèces en question, requiert des bases de données de spectroscopie moléculaire sophistiquées. Les attributions signatures-transitions dans le cas de ce spectre HIFI ont été réalisées grâce à la base de données CDMS (Cologne Database of Molecular Spectroscopy) et une base de données similaire maintenue par le Jet Propulsion Laboratory de la NASA.

 

 

Pour en savoir plus :

 

 

 

 

Herschel au XIXème Festival d'Astronomie de Fleurance

[ 18 août 2009 ]

 

Dans le cadre des conférences "Fil Vert" (cours et atelier initiation), Herschel et ses objectifs scientifiques ont été présentés aux amateurs d'astronomie assistant au XIXème Festival d'Astronomie de Fleurance le vendredi 14 août 2009 à 14h30. Les liens ci-dessous permettent d'accéder aux documents relatifs à cette présentation :

 

 

 

 

 

Première lumière de l'instrument HIFI
à bord de l'Observatoire Spatial Herschel

[ 10 juillet 2009 ]

 

Après 10 ans de développement, l'instrument HIFI, un des trois instruments scientifiques à bord de l'Observatoire Spatial Herschel, a maintenant observé ses premiers objets dans le ciel et obtenu ses premiers spectres. Le responsable principal Frank Helmich (SRON, Groningen, Pays-Bas) est très enthousiaste. HIFI, l'instrument hétérodyne pour l'infrarouge lointain ("Heterodyne Instrument for the Far-Infrared"), est un spectromètre haute résolution dont le but est d'extraire des informations détaillées à partir de raies spectroscopiques, les empreintes digitales des atomes et molécules présentes dans le milieu interstellaire. "Ces premiers spectres montrent vraiment la polyvalence de l'instrument. Nous avons regardé des objets dans le ciel et obtenu des spectres qui provoquent déjà beaucoup d'effervescence. Nous sommes pourtant seulement au cours de la phase de réglage de l'instrument et ces observations sont d'une qualité sans précédent." Le chef de projet Peter Roelfsema (SRON, Groningen, Pays-Bas) attribue ce rapide succès d'HIFI à la proche collaboration entre experts instrumentaux et astronomes. "C'est uniquement de cette manière que nous avons été capable de fabriquer le meilleur spectromètre au monde."

"Les spectres sont toujours peu commodes à déchiffrer pour le grand public", explique Emmanuel Caux (CESR, Toulouse, France), le responsable français de HIFI, "mais la puissance contenue dans ces mesures vient du fait que les petits détails des spectres reflètent l'état de l'objet étudié. Ainsi, nous utilisons les raies comme sondes. Des sondes qui sont utilisables sur les vastes distances rencontrées en astronomie." Le responsable allemand Juergen Stutzki (Université de Cologne, Allemagne) confirme ce point: "Dans notre laboratoire, nous avons fourni de gros efforts pour déterminer les empreintes de nombreuses molécules. Nous pouvons maintenant faire coïncider ces empreintes avec les spectres obtenus par HIFI, avec une précision sans précédent." "Le public est assez familier avec la série populaire 'Les Experts'", ajoute Tom Phillips (CalTech, Pasadena, états-Unis), le responsable américain. "Dans la série télévisée, nous voyons souvent que l'analyse ADN donne l'indice déterminant, et c'est la même chose avec HIFI. Si un spectre de laboratoire et un spectre HIFI coïncident, nous aurons résolu un puzzle, un puzzle situé à des distances astronomiques!"

Les premières études de projet pour l'Observatoire Spatial Herschel ont plus de 25 ans. Le précédent responsable principal de HIFI, Thijs de Graauw (ALMA, Chili), déclare: "La spectroscopie en infrarouge lointain est un outil puissant pour étudier le rôle du gaz et de la poussière dans la formation des étoiles et des planètes, ainsi que dans l'évolution des galaxies. La très haute qualité de ces premiers spectres promet de nouvelles et grandes découvertes concernant ces questions. C'est un immense plaisir de voir que HIFI marche si bien."

HIFI est un instrument très complexe et aucun laboratoire ni même pays ne détenait à lui seul tout le savoir-faire nécessaire. HIFI a donc été construit par un large consortium. Vingt-cinq laboratoires de treize pays ont mis en commun leurs connaissances technologiques pour développer cet instrument. En fait, plusieurs composants d'HIFI n'auraient pas pu être construit il y a seulement 10 ans. Les technologies clés permettant la construction de ces composants, dont certains n'existent aujourd'hui qu'en 4 exemplaires, ont été déployées au sein du consortium de l'instrument HIFI.

"Les premières sources que nous avons observées étaient supposées avoir des raies brillantes," précise le responsable scientifique Xander Tielens (Université de Leiden, Pays-Bas). "Mais j'ai été malgré tout surpris de l'intensité des raies. Nous avons cherché, dans la région de formation stellaire DR21 dans la constellation du Cygne, du gaz moléculaire chauffé par les étoiles massives récemment formées à proximité. Nous avons découvert que ce gaz est beaucoup plus chaud qu'attendu, ce qui montre que l'interaction entre les jeunes étoiles et leur environnement natal est très important pour l'évolution ultérieure de ces régions."

Nous avons confirmé cette haute température du gaz avec l'observation de la raie de carbone ionisé dans la même région," ajoute Volker Ossenkopf, chercheur à l'Université de Cologne (Allemagne). "Jamais cette raie n'avait été mesurée avec autant de précision ni à une aussi grande résolution spatiale et spectrale. Ce résultat est de très bon augure pour les programmes scientifiques que mes collègues et moi-même avons développés dans le but d'acquérir une meilleure compréhension de la formation stellaire dans ces régions."

La troisième raie mesurée par HIFI est la raison d'être de cet instrument. La molécule d'eau étant abondamment présente dans l'atmosphère terrestre, elle ne peut pas du tout être observée depuis le sol, mais uniquement par un instrument embarqué sur un télescope spatial. HIFI a été spécifiquement construit pour observer l'eau dans toutes sortes d'objets célestes et l'observation de l'eau dans DR21 marque le début de toute une pléiade d'études de cette espèce. Le responsable de la mise en service de HIFI, David Teyssier (ESA), souligne que le profil compliqué de la raie d'eau dans DR21 reflète les conditions physiques tout aussi complexes de cette source. "Nous avons mesuré cette raie, mais une interprétation directe est difficile. Je n'ai aucun doute que l'explication sera bientôt connue, dévoilant de nombreuses informations sur DR21." Le chef de projet Peter Roelfsema confirme: "HIFI est un instrument extrêmement puissant, fournissant un type de données relativement simple. Cependant, l'interprétation de ces données requiert une étroite collaboration entre astro-physiciens et spectroscopistes, comme c'est le cas dans notre consortium. Pour l'instant, nous continuons nos observations techniques afin d'assurer une très haute qualité des données dans tous les modes d'observation et toutes les gammes de fréquences de HIFI. Nous venons seulement de commencer ce processus de vérification."

 

DR21

Spectres HIFI observés de la région de formation d'étoiles massives DR 21 superposés à une image en fausse couleur observée par le télescope spatial Spitzer de la NASA avec les instruments IRAC et MIPS.

Dans l'image d'arrière plan, le vert indique les endroits où les radiations ultraviolettes illuminent ce berceau d'étoiles naissantes. Les points bleus sont des étoiles d'avant et d'arrière-plan, et les points jaunes et rouges sont des sources enfouies dans des cocons de gaz et de poussières, et qui deviendront bientôt des étoiles. L'image de droite est un zoom sur la région la plus active. Les carrés bleu et rouge montrent les régions où l'émission de l'atome de carbone ionisé (C+) a été cherchée. Une nette différence est observée dans le graphe situé au dessus de ce zoom, entre les spectres bleu et rouge émis par les régions correspondantes. La large raie rouge traduit la présence de matière éjectée, alors que l'étroite raie bleue évoque de la matière au repos.

La bande jaune indique la zone le long de laquelle plusieurs spectres ont été obtenus. L'insert à gauche du zoom montre un spectre de monoxide de carbone (à gauche) et d'eau (à droite) provenant approximativement de la position centrale de la bande jaune. Un important flot de gaz est là aussi visible à partir du profil de la raie de monoxide de carbone. De plus, étant donné que cette raie est témoin d'un gaz relativement chaud (200 K, soit -73 degrés Celsius), on peut en déduire que le flot contient beaucoup de matière; il est donc très actif. Le profil complexe et biscornu de la raie d'eau est assez inattendu et requerra une modélisation sophistiquée afin de pouvoir être interprété dans toute son ampleur.

 

Communiqué de presse français:

CP030-2009 - Le satellite HERSCHEL fait ses premières observations.pdf

 

Liens vers les pages officielles de l'ESA (en anglais):