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Ejecter l'eau des grains interstellaires avec des rayons X

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Dans les régions froides et denses du milieu interstellaire, de nombreuses molécules sont observées. Certaines sont présentes sous forme de gaz, d’autres sont collées à la surface de minuscules grains de poussière, formant des « manteaux de glace ». Lorsque les grains de poussière sont suffisamment froids, les molécules qui s’y forment ou s’y collent devraient rester gelées. Or ceci n’est pas compatible avec les observations de gaz dans les régions froides qui sont faites par les astronomes.

Une équipe du Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique et Atmosphère (Sorbonne Université & Observatoire de Paris), en collaboration avec des chercheurs du Laboratoire de Chimie Physique (Université Paris-Sud), du CERN et du Laboratoire National de Frascati, a déterminé expérimentalement l’efficacité de la photodésorption (éjection de molécules par des photons) de glaces par les rayons X. Ce processus n’était, jusqu’ici, pas considéré dans les modèles astrochimiques de régions du milieu interstellaire irradiées par des rayons X.

C’est la ligne de lumière SEXTANTS qui a fourni le rayonnement X nécessaire à cette étude, publiée dans le journal Nature Astronomy.

Différents processus sont à l’œuvre pour détacher des molécules des manteaux glacés du milieu interstellaire. De tels processus impliquent un apport d’énergie, qui peut être sous forme de rayonnement (UV, X, rayons cosmiques…), d’énergie chimique, de chocs…
Dans la plupart des régions du milieu interstellaire, on trouve du rayonnement ultraviolet. C’est pourquoi le processus par lequel un photon UV détache une molécule de la glace (la photodésorption) est classiquement pris en compte dans les modèles astrochimiques, et est étudié en laboratoire. Mais il existe des régions où l’on trouve aussi une illumination par des rayons X, par exemple dans les disques protoplanétaires où la jeune étoile émet fortement dans cette gamme d’énergie. Pour prendre en compte un processus comme la photodésorption par les rayons X dans les modèles astrochimiques s’intéressant à de telles régions, il est d’abord nécessaire de disposer de données expérimentales. Ceci permet de savoir combien de molécules sont détachées, en moyenne, pour chaque photon incident, quels sont les processus physiques entrant en jeu…

C’est ce que fait cette étude dans le cas de la glace d’eau. Pour cela, les auteurs ont utilisé la chambre expérimentale sous ultravide SPICES 2, dédiée à l’étude de processus à l’interface entre solide et gaz à basse température, qu’ils ont amené sur la ligne de lumière SEXTANTS du synchrotron SOLEIL. Les conditions d’ultravide (~10-10 mbar) sont nécessaires pour étudier les phénomènes de surface, et les conditions de basse température (15 K) reproduisent celles des régions de l’espace étudiées. La ligne SEXTANTS fournit alors un rayonnement X intense, crucial pour obtenir un signal suffisant, et monochromatique, ce qui permet d’étudier la dépendance en longueur d’onde de la photodésorption et de l’extrapoler aux différents spectres de rayonnement rencontrés dans différents milieux interstellaires.

Les résultats obtenus quantifient la photodésorption de la molécule d’eau mais aussi de différentes espèces neutres ou ionisées issues de la fragmentation et de la photochimie induite par les rayons X dans la glace d’eau. Les études précédentes ne s’étaient intéressées qu’au seul ion H+, or la photodésorption des espèces neutres s’avère être la plus importante quantitativement. Ces chiffres peuvent ensuite être adaptés et introduits dans les modèles astrochimiques de régions comme les disques protoplanétaires, permettant d’évaluer l’impact du processus de photodésorption par les rayons X sur la chimie et la physique de ces environnements.

Figure: Schéma de principe de l’expérience. Une glace d’eau d’une épaisseur d’une centaine de molécules est déposée sur un substrat froid et irradiée par le rayonnement synchrotron en balayant l’énergie des photons (donnée en électron-volt). Les différentes espèces éjectées de la glace sont détectées par spectrométrie de masse. Sur la droite, un exemple typique de résultat obtenu : il s’agit du taux de photodésorption de la molécule d’eau neutre en fonction de l’énergie des photons.

Les auteurs ont bénéficié de l’utilisation du Synchrotron SOLEIL (projet 20161406), sur la ligne de lumière SEXTANTS, pour cette étude. Ce travail a été soutenu financièrement par le Programme National “Physique et Chimie du Milieu Interstellaire” (PCMI) du CNRS/INSU avec l'INC/INP co-financé par le CEA et le CNES, le LabEx MiChem, le programme DIM ACAV Région Ile-de-France, et l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN, KE3324/TE).