Synthétiser les composés organiques extraterrestres

Publié par Adrien le 28/05/2015 à 12:00
Source: CNRS-INSU
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Des chercheurs du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques de Nancy (CNRS/Université de Lorraine) tentent, au sein d'un réacteur plasma, le Nébulotron, de reconstituer l'ambiance régnant lors des premiers temps du système solaire pour fabriquer des composés organiques à partir de mélanges de gaz, judicieusement choisis, ionisés dans le réacteur (Un réacteur peut désigner :) du Nébulotron. En fonction des conditions de chaque analyse, les composés organiques produits sont analysés et comparés avec les composés naturellement trouvés dans les échantillons extraterrestres.

Les premiers résultats présentés dans la revue PNAS montrent que la synthèse des composés organiques extraterrestres primordiaux a pu avoir lieu à des températures élevées (500-1000K) dans des régions de la nébuleuse (Une nébuleuse (du latin nebula, « nuage ») désigne, en astronomie, un...) protosolaire suffisamment ionisées pour initier la synthèse organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...).


Le réacteur du Nébulotron en fonctionnement © CRPG (CNRS/Université de Lorraine)
Les composés organiques extraterrestres, majoritairement insolubles, ont été identifiés dans la plupart des objets primitifs du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...) - météorites et micrométéorites, poussières interplanétaires (IDPs) et poussières cométaires (grains Stardust/Wild 2). Ils constituent un réservoir primordial majeur des éléments volatils (H, C, N et gaz rares), et ont pu jouer un rôle important lors de mise en place des atmosphères des planètes terrestres, mais aussi de la vie sur Terre.

En particulier, cette matière organique insoluble concentre la Phase Q*, porteuse (Une porteuse est un signal sinusoïdal de fréquence et amplitude constantes. Elle est...) des gaz rares de compositions élémentaire et isotopique primordiales, dont l'origine, inconnue, reste une des grandes questions de la cosmochimie. De même, l'origine des composés organiques extraterrestres est très débattue, et la plupart des scenarii place la synthèse de ces composés organiques dans le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre...) ou dans les zones externes de la nébuleuse solaire (La nébuleuse solaire est le nuage de gaz (ou disque d'accrétion) à partir duquel notre système...), à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) (<40K). Cependant, les expériences réalisées à partir de glaces d'eau et de composés organiques simples n'ont pas permis de reproduire des caractéristiques fondamentales de ces composés organiques extraterrestres, à savoir leurs compositions isotopiques extrêmes de l'hydrogène et de l'azote, ainsi que leur contenu en gaz rares.


Le réacteur du Nébulotron à la fin d'une expérience où l'on peut voir les dépôts solides riches en gaz rares formés sur la paroi du réacteur. © CRPG (CNRS/Université de Lorraine)
Pour répondre à ces questions, les chercheurs du CRPG ont synthétisé des composés organiques solides en ionisant dans un réacteur plasma - le Nébulotron - des mélanges de gaz de composition rappelant celle de la nébuleuse protosolaire (H2(O)-CO-N2- gaz rares). Le type de plasma utilisé (plasma microondes) induit un chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) des gaz fluant dans le réacteur à des températures comprises entre 500 et 1000K.

La caractérisation détaillée des composés organiques synthétiques met en évidence des propriétés chimiques et physiques très proches de celles observées pour la matière organique insoluble des météorites primitives. D'autre part, les gaz rares piégés dans les solides synthétisés présentent des concentrations ainsi que des compositions élémentaires et isotopiques équivalentes à celles des gaz rares primordiaux portés par la Phase Q des météorites primitives. Ce dernier point démontre l'importance de l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) des gaz, nécessaire à la mise en place des fractionnements élémentaires et isotopiques des gaz rares. C'est la première expérience qui permet de reproduire des caractéristiques à la fois chimiques, structurales et isotopiques des gaz rares de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) organiques extraterrestres.

Ces résultats expérimentaux conduisent à suggérer que la synthèse des composés organiques insolubles - du moins de leurs précurseurs - et la rétention des gaz rares Q primordiaux dans ces composés ont eu lieu simultanément, probablement à des températures élevées (500-1000 K), et dans les régions de la nébuleuse protosolaire qui étaient suffisamment ionisées pour initier les processus de synthèse organique et de fractionnement élémentaire et isotopique des gaz rares. L'étude de la structure modèle des disques d'accrétion montre que ces régions sont localisées à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) et dans la zone interne du disque.


Schéma de la nébuleuse solaire (0.1-100 AU), irradiée par les UVs et rayons X stellaires et interstellaires. Le dégradé de couleur représente le gradient de température. La synthèse des composés organiques riches en azote 15N et en gaz rares est possible dans les zones les plus ionisées du disque par l'interaction entre le gaz et les particules ionisantes (photons ou électrons). L'enrichissement en 15N provient de la photodissociation de N2. La turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse...) dans le disque permet la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un...) des composés organiques, qui peuvent alors interagir avec la glace dans les zone froides et médianes du disque. © Kuga et al. PNAS 2015
La synthèse organique - simultanément au piégeage des gaz rares Q - a pu être initiée dans ces régions chaudes et ionisées par interaction des gaz nébulaires avec les photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) du soleil jeune (ou du milieu interstellaire) ou avec les électrons libres issus de la photo-ionisation des espèces gazeuses. Ces composés organiques riches en gaz rares ont par la suite pu être dispersés dans le disque d'accrétion par des processus de turbulence et/ou de sédimentation, et interagir avec des glaces dans les parties plus froides du disque. Ce scénario favorise la photochimie de l'azote moléculaire N2 de la nébuleuse solaire comme étant responsable de la variation extrême des compositions isotopiques de l'azote mesurées dans les différents objets du système solaire.

Ces résultats expérimentaux démontrent que le lien entre la matière organique des météorites, la composition des gaz rares Q et la composition isotopique de l'azote dans ces mêmes composés indique une voie de synthèse organique dans la nébuleuse solaire tout à fait alternative et originale.
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