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Accueil du site > Nouvelles scientifiques > Des poussières interstellaires soumises au rayonnement cosmique : l’IPN participe à une simulation expérimentale de l’éjection de molécules carbonées par les grains interstellaires.

Des poussières interstellaires soumises au rayonnement cosmique : l’IPN participe à une simulation expérimentale de l’éjection de molécules carbonées par les grains interstellaires.

Les poussières interstellaires jouent un rôle essentiel dans l’équilibre radiatif des galaxies et naturellement dans l’apparence du ciel. Résultant de la condensation des gaz expulsés par les étoiles, elles sont de petits grains solides (composés essentiellement de carbone, d’oxygène, de silicium et de fer) dont les dimensions sont inférieures à un millionième de mètre.

Une équipe de recherche multidisciplinaire* a caractérisé en laboratoire les effets des rayons cosmiques lourds sur le changement structurel et la pulvérisation de petites molécules carbonées libérées lorsque les rayons cosmiques, simulés et accélérés à GSI à Darmstadt, impactent un analogue de grain de poussière interstellaire carboné.

*(IPN Orsay, CSNSM, IAS, ISMO et GSI Darmstadt)

Les simulations en laboratoire et les mesures des processus induits par les radiations observées dans l’espace permettent de connaître leur relative importance. L’objectif de ces études est de fournir des données sur l’évolution de la matière interstellaire, de comprendre son évolution et de fournir des contraintes aux modélisateurs des environnements astrophysiques.

Les particules interstellaires de grains de poussière sont immergées dans un environnement radiatif comprenant le rayonnement ultraviolet de haute énergie (VUV) et les rayons cosmiques de basse énergie (< GeV/u) influençant leur composition physico-chimique. Suite aux interactions ionisantes induites, les particules de poussières carbonées présentes dans le milieu interstellaire libèrent des fragments qui ont un impact direct sur l’évolution de la chimie en phase gazeuse. L’exposition de la poussière interstellaire carbonée aux rayons cosmiques est simulée en laboratoire par l’irradiation de films d’analogues interstellaires de carbone amorphe hydrogéné avec des ions énergétiques. De nouvelles espèces formées et libérées dans la phase gazeuse sont explorées.

Lors de ces simulations expérimentales, des films de carbone amorphe hydrogéné minces (appelés aC:H), analogues astrophysiques donnant lieu à une signature spectroscopique astronomique généralement observée à 3,4 μm dans le milieu diffus des galaxies, ont été irradié avec des ions or (950 MeV), xénon (630 MeV) et carbone (43 MeV) à l’accélérateur GSI UNILAC (voir figure 1 pour une vue de la configuration expérimentale). L’évolution des analogues de poussière a été suivie in situ en fonction de la fluence (nombre d’ions incident total par unité de surface) à 40, 100 et 300 K. Les effets sur la phase solide sont étudiés par spectroscopie infrarouge complétée par l’enregistrement simultané des spectres de masse des espèces libérées dans la phase gazeuse. Les espèces spécifiques produites et libérées sous le faisceau ionique sont analysées.

Le principal produit de radiolyse est l’hydrogène moléculaire H2, participant à la déshydrogénation du grain carboné (a-C:H) dans un contexte astrophysique. Ces irradiations montrent également que la production de nombreux petits hydrocarbures (CxHy ; x = 1, 4) est efficace avec des ions lourds rapides (voir figure 2), et augmente au cours de la production de H2 avec l’énergie déposée.

Les sections efficaces déduites des expériences d’interaction avec des ions lourds rapides ont été mises en œuvre dans un modèle astrophysique montrant que l’effet des irradiations par les rayons cosmiques (CR) est important dans les régions intermédiaires à denses où le composant CR haute énergie pénètre beaucoup plus profondément par rapport aux UV externes et atteint en profondeur un équilibre avec le champ UV secondaire produit par l’interaction des rayons cosmiques avec H2 (voir figure 3).

La production de ces espèces carbonées par ce processus dit descendant (destruction des grains) contribuera à éroder les grains de poussière d’a-C:H. L’étendue de ce processus dépendra de la teneur en hydrogène initiale des grains de poussière interstellaire. Si la teneur en hydrogène est élevée, intrinsèquement ou par hydrogénation par interaction avec l’hydrogène gazeux ambiant, la production de petites espèces carbonées volatiles est efficace et conduit à la destruction complète (« volatilisation ») des grains tandis que les espèces libérées enrichissent la chimie en phase gazeuse. On s’attend à ce que cette efficacité diminue si la teneur en hydrogène devient beaucoup plus faible et que les grains finissent par se transformer en une structure polyaromatique. Les espèces libérées lors des expériences simulant les ions des rayons cosmiques sur des analogues interstellaires moins hydrogénés, plus polyaromatiques, seront étudiées plus en profondeur lors d’expériences dédiées à venir.

Fig 1 : Vue de la configuration expérimentale utilisée pour étudier l’irradiation des analogues de poussière interstellaire à GSI. La branche M équipée d’un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), d’un spectromètre de masse (QMS) et d’une chambre échantillon cryogénique sous un vide poussé qui est couplée à l’accélérateur UNILAC de GSI délivrant des faisceaux d’ions lourds rapides.


Fig 2 : Signal du spectromètre de masse intégré (IQMS) sur le temps d’irradiation pour un échantillon analogue interstellaire a-C:H irradié avec l’ion 132Xe21+ (barres oranges) à 300 K. Le meilleur modèle de la somme des espèces qui contribuent au signal IQMS sont représentés en bleu. Les boîtes au-dessus marquent les régions correspondant aux différents groupes d’espèces gazeuses carbonées mesurées, et les positions où les gaz contaminants résiduels pourraient contribuer sont indiquées.

Fig 3 : Temps caractéristique de destruction des liaisons carbone-hydrogène d’un grain interstellaire, associée à l’irradiation des rayons cosmiques galactiques (GCR) en fonction de différentes hypothèses sur le spectre des ions GCR à faible énergie (par un paramètre E0). La zone colorée indique l’incertitude de mesure rapportée aux sections efficace mesurées. Le taux d’ionisation correspondant calculé est indiqué sur l’axe opposé. Les taux d’ionisation interstellaire observés pour les nuages denses et les valeurs moyennes pour les nuages diffus sont indiqués en pointillés.

Cette recherche expérimentale est décrite dans un article récemment publié dans la revue Astronomy & Astrophysics.

Contacts :

Marin Chabot, Institut de Physique Nucléaire d’Orsay (IPNO), CNRS-IN2P3, Université Paris Sud, Université Paris-Saclay, 91406 Orsay, France. chabot@ipno.in2p3.fr

Emmanuel Dartois, Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS), Université Paris-Sud, UMR 8617-CNRS/INSU, Bât 121, 91405 Orsay, France. emmanuel.dartois@ias.u-psud.fr

Related reference :

“Swift heavy ion irradiation of interstellar dust analogues Small carbonaceous species released by cosmic rays”, E. Dartois, M. Chabot, T. Pino, K. Béroff, M. Godard, D. Severin, M. Bender, and C. Trautmann, Astronomy & Astrophysics A&A 599, A130 (2017), DOI : 10.1051/0004-6361/201629646

Notes :

Les résultats ont été obtenus sur l’installation expérimentale de la branche M au centre GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, à Darmstadt, en Allemagne. Les analogues ont été produits sur l’expérience SICAL-P à l’IAS, Orsay. Ce travail a été soutenu par l’IN2P3, l’INSU, l’INP, le CNRS et l’Université Paris-Sud, avec un soutien financier supplémentaire du programme national PCMI.



 

IPN

Institut de Physique Nucléaire Orsay - 15 rue Georges CLEMENCEAU - 91406 ORSAY (FRANCE)
UMR 8608 - CNRS/IN2P3

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