Quel est le but des recherches menées dans le domaine de l’astrophysique de laboratoire à Rennes ?

  1. La spectroscopie infrarouge
  2. La Cinétique de collision
  3. Comment refroidit-on les gaz dans notre laboratoire ?

Les chercheurs et enseignants-chercheurs en astrophysique de laboratoire de Rennes sont des docteurs en physique ou en chimie. Comme leurs travaux sont essentiellement expérimentaux, ils sont épaulés dans leurs recherches par des ingénieurs et des techniciens ayant diverses spécialités : instrumentation, informatique, conception mécanique, électronique, usinage mécanique…

Leurs travaux consistent à aider les astrophysiciens à identifier les molécules dans l’espace, grâce à la spectroscopie infrarouge, et à comprendre comment les molécules s’y forment ou échangent de l’énergie en rentrant en collision, grâce à la cinétique de collision. Dans ces deux domaines, des collaborations étroites ont lieu avec des collègues théoriciens spécialistes de mécanique quantique.

 

La spectroscopie infrarouge

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Les ondes lumineuses transportent de l’énergie dont la valeur est liée à leur couleur, caractérisée par leur fréquence ou leur longueur d’onde. Par exemple, lorsque de la lumière infrarouge éclaire une molécule, elle peut lui céder de l’énergie qui va permettre à la molécule de vibrer ou de tourner. On dira que la molécule a absorbé une partie du rayonnement infrarouge issu de la source lumineuse qui l’éclaire. Inversement, une molécule, lorsqu’elle vibre ou tourne, peut aussi émettre de la lumière dans le domaine de l’infrarouge. On peut alors détecter le rayonnement émis par un détecteur infrarouge. La spectroscopie infrarouge est ainsi l’étude de l’interaction entre la lumière infrarouge et les molécules, qu’elles en absorbent ou qu’elles en émettent. La lumière émise ou absorbée par une molécule dépend en réalité de sa structure, ce qui permet en analysant cette lumière d’identifier la molécule. Le spectre infrarouge est en quelque sorte l’équivalent d’une empreinte digitale de la molécule, permettant son identification. Ainsi en collectant grâce à un télescope infrarouge le spectre émis ou absorbé par une molécule se trouvant dans l’espace, que ce soit dans un nuage interstellaire, dans l’atmosphère d’une planète, etc., on peut a priori la reconnaître. Dans la réalité, s’additionnent quelques complications… En effet, le spectre d’une molécule, et donc son empreinte, dépendent fortement de la température. De plus, lorsqu’un télescope est pointé vers une région de l’espace, toutes les molécules présentes sur sa ligne de visée contribuent au spectre qu’il enregistre ! Enfin les molécules qui émettent ou absorbe de la lumière sont des environnements de différentes températures puisqu’elles sont situées dans diverses régions traversée par la ligne de visée du télescope. L’analyse du spectre que le télescope enregistre est donc complexe ! Cela nécessite de faire des études de spectroscopie à la fois expérimentales et théoriques.

Dans notre laboratoire, nous recréons des environnements gazeux froids (proches du zéro absolu) ou très chauds (plus de 2000 degrés), pour réaliser des spectres infrarouges expérimentaux de molécules présentes dans l’espace où de telles températures peuvent être atteintes : dans les nuages moléculaires denses pour les températures les plus basses, ou à proximité des étoiles pour les températures les plus élevées.

 

La Cinétique de collision

Réactionx chimiques - Exemples de types de réactions chimiques, où A et B représentent des atomes ou des molécules (http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_reaction)

Pour refroidir un gaz, on peut par exemple le « détendre », c’est-à-dire lui faire subir une diminution de pression, qui se traduit par une diminution de sa température. Dans notre laboratoire, on fait subir au gaz cette détente soit au travers d’un simple trou, soit au travers d’une tuyère de Laval (voir figure ci-contre) : le gaz s’écoule à partir d’un réservoir, dans lequel il est quasiment au repos, vers une chambre maintenue à basse pression dans laquelle le gaz va atteindre une vitesse supersonique ! C’est parce que l’énergie interne des molécules (due à leur vibration et à leur rotation) est convertie en énergie cinétique due à l’accélération du gaz, que ce dernier se refroidit très fortement lors de la détente. On peut ainsi créer des écoulements de gaz à des températures aussi basses que 15 K (-258 °C). Si on pré-refroidit le gaz avant sa détente, avec de l’azote liquide par exemple, on peut même atteindre des températures aussi basses que 5 K (-268 °C) !

 

Comment refroidit-on les gaz dans notre laboratoire ?

Tuyère de Laval - Écoulement supersonique créé par une tuyère de Laval

Pour refroidir un gaz, on peut par exemple le « détendre », c’est-à-dire lui faire subir une diminution de pression, qui se traduit par une diminution de sa température. Dans notre laboratoire, on fait subir au gaz cette détente soit au travers d’un simple trou, soit au travers d’une tuyère de Laval (voir figure ci-contre) : le gaz s’écoule à partir d’un réservoir, dans lequel il est quasiment au repos, vers une chambre maintenue à basse pression dans laquelle le gaz va atteindre une vitesse supersonique ! C’est parce que l’énergie interne des molécules (due à leur vibration et à leur rotation) est convertie en énergie cinétique due à l’accélération du gaz, que ce dernier se refroidit très fortement lors de la détente. On peut ainsi créer des écoulements de gaz à des températures aussi basses que 15 K (-258 °C). Si on pré-refroidit le gaz avant sa détente, avec de l’azote liquide par exemple, on peut même atteindre des températures aussi basses que 5 K (-268 °C) !