Astrochimie: Chimie des origines
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Astrochimie: Chimie des origines ? P. Lesaffre – 27 octobre 2016 Astrochimie: Chimie des origines ? Louis d'Hendecourt Merci à: Louis Le Sergeant d'Hendecourt Thierry Chiavassa Jean-Pierre Bibring Maryvonne Gerin Darek Lis Ewin Van Dishoeck Thierry Chiavassa P. Lesaffre – 27 octobre 2016 ? Les atomes fabriqués dans le Big-Bang Big Bang (surface ~ nombre d'atomes) (D, Li, Be, B) 4.10-5 4.10-5 1.10-5 4.10-5 Les atomes fabriqués dans les étoiles Notre galaxie aujourd'hui Big Bang (surface ~ nombre d'atomes) (D, Li, Be, B) 4.10-5 4.10-5 1.10-5 4.10-5 On est encore bien loin du vivant... La composition du vivant: Les éléments CHNOPS Notre galaxie aujourd'hui: H et He Il faut renvoyer les nouveaux atomes fabriqués dans l'espace interstellaire Vents d'étoiles 3. Supernova (mort des étoiles) 2. 1. Jets d'étoiles naissantes HH111 HST image Il faut renvoyer les nouveaux atomes fabriqués dans l'espace interstellaire Vents d'étoiles 3. Supernova (mort des étoiles) 2. 1. Jets d'étoiles naissantes HH111 HST image Il faut renvoyer les nouveaux atomes fabriqués dans l'espace interstellaire 3. Vents d'étoiles Supernova (mort des étoiles) 2. Réfractaires: 1% de la masse 1. Jets d'étoiles naissantes HH111 HST image Un grain interplanétaire La première molécule: H2 La première molécule: H2 Elle se forme sur les grains La chimie des molécules interstellaires en deux mots On forme H2 sur les grains. Puis: + H2 + (H2 ) → H + 3 + + X → XH + H2 Il faut ioniser (rayons cosmiques, irradiation UV) où X peut être C, O, S, Si, ... La chimie des molécules interstellaires en deux mots On forme H2 sur les grains. Puis: + H2 + (H2 ) → H + 3 + + X → XH + H2 Il faut ioniser (rayons cosmiques, irradiation UV) H2 + X (→) XH + H Demande du chauffage (friction turbulente, mélange) où X peut être C, O, S, Si, ... Apporter de l'énergie pour faire des nouvelles molécules plus complexes (comme en cuisine...) On forme H2 sur les grains. Puis: + H2 + (H2 ) → H + 3 + + X → XH + H2 Il faut ioniser (rayons cosmiques, irradiation UV) H2 + X (→) XH + H Demande du chauffage (friction turbulente, mélange) où X peut être C, O, S, Si, … Les expériences numériques La dissipation des mouvements fluides est très localisée Alain Filippi Dans une simulation, on secoue un petit morceau de gaz insterstellaire. ~ 3 jours-lumière Temps de calcul: 50 000 h à l'IDRIS (1 jour sur 2000 processeurs) Temps simulé: 10 000 ans. Lesaffre et al. (In prep) Dans une simulation, on secoue un petit morceau de gaz insterstellaire. ~ 3 jours-lumière Temps de calcul: 50 000 h à l'IDRIS (1 jour sur 2000 processeurs) Temps simulé: 10 000 ans. Lesaffre et al. (In prep) 0.003 pc Carte du CO produit avec les chocs (idem pour OH, H2O, CH, etc...) Lesaffre et al. (In prep) L'observation astronomique par la spectroscopie moléculaire Au piano, plus les cordes sont légères, courtes et tendues, plus la fréquence du son produit est grande (son plus aigu) Fréquence du 'La' = 440 Hz Spectroscopie moléculaire Au piano, plus les cordes sont légères, petites et tendues, plus la fréquence du son produit est grande (son plus aigu) Fréquence du 'La' = 440 Hz Plus une liaison moléculaire est légère, serrée et forte, plus la fréquence des photons émis est grande (lumière plus bleue). Clumière/ 1 mm = 300 GHz Spectroscopie moléculaire: on sait calculer très précisément Ex: L'échelle d'excitation de CO Fréquence Vibration Rotation R Spectroscopie moléculaire Identification spectrale → Composition Une galaxie irrégulière Herschel (SPIRE) A la recherche de molécules de plus en plus complexes: les relevés spectraux IRAM-30m Large Project ASAI (PI B. Lefloch & R. Bachiller) Des molécules complexes détectées vers le centre galactique ex: l'Aminoacétonitrile, précuseur de la glycine Belloche et al. (2008) Les acides aminés Environ 500 formes Les acides aminés Environ 500 formes Ils peuvent s'enchaîner entre eux pour former des molécules plus grandes (les peptides) Peptide Les acides aminés Environ 500 formes Ils peuvent s'enchaîner entre eux pour former des molécules plus grandes (les peptides) Les protéines sont des grands peptides Peptide repliés dans des formes spécifiques. Les protéines du vivant utilisent un “alphabet” de 22 acides aminés. Protéine Des molécules complexes détectées vers le centre galactique ex: l'Aminoacétonitrile, précuseur de la glycine Belloche et al. (2008) Cartes chimiques: où sont les molécules ? ex: du Formaldéhyde dans les étoiles jeunes IRAM plateau de Bures 0.3 année-lumière Gerin et al. (2015) De l'alcool et du sucre dans la queue d'une comète Biver et al. (2015) Comète Lovejoy (février 2015) Alcool éthylique Ethylène glycol (antigel) Glycoaldéhyde (précurseur du plus simple des sucres) Le spatial La mission Rosetta: comment courrir après la comète ? La mission Rosetta Rosetta: selfie avec Tchouri ESA 7 oct. 2014 Philae trouve de la glycine sur la comète Tchouri X Philae le 12 novembre 2014, vu par Rosetta juste Après le début de sa descente vers Tchoury. Philae retrouvé le 5 septembre 2016 Molécules détectées par Philae (à confirmer) Philae retrouvée par Rosetta Philae retrouvée par Rosetta Les expériences en laboratoire Formation de la glace d'eau sur les grains interstellaires Transformation des glaces Les processus énergétiques et Thermiques réarrangent les molécules Expériences de laboratoire On s'efforce de reproduire les conditions de chauffage et d'éclairement subies par les glaces interstellaires. L'expérience AHIIA (Analysis from the Heating of Interstellar Ice Analogs) Transformation des glaces Expérience MIC-MOC (Matière Interstellaire et Cométaire Molécules Organiques Complexes) 1 mm X60 P. de Marcellus, Thèse, 2011 Paola Modica, Thèse, 2014 Comparaison entre laboratoire et météorite (après hydrolyse) Expérience RAHIAA G. Danger Météorite de Murchison Contenu en molécules complexes Les zones sont définies en fonction des rapports C:H:N:O (diag. de van Krevelen) “Du ribose et des sucres associés à partir d'irradiation UV d'analogues de glace interstellaire” Meinert et al, Science, 8 Avril 2016 Molécules chirales: une formule chimique, deux formes Gauche ou Droite G D Les molécules chirales font tourner la polarisation de la lumière Matière dextrogyre Les acides aminés du vivant sont presque tous lévogyre (Pasteur): pourquoi ? (et les sucres sont tous dextrogyres...) Chiral-MICMOC Les météorites ont des faibles excès de lévogyre (de 1% à 20 % suivant les acides aminés) On fait les expériences avec des UV polarisés Chiral-MICMOC sur la ligne DESIRS du synchrotron SOLEIL => On récolte des faibles excès de levogyre (0.5 à 2%) Processus d'amplification ? Dans l'eau des grosses météorites ? Par sélection naturelle sur terre ? État de l'art de l'astrochimie Atomes Hydrogène Carbone Azote Oxygène État de l'art de l'astrochimie Dans le Gaz Atomes Hydrogène Carbone Azote Oxygène Molécules primitives Eau Ammoniac Méthanol État de l'art de l'astrochimie A la surface des Grains Dans le Gaz Atomes Hydrogène Azote Carbone Molécules primitives Molécules complexes Eau Oxygène Ammoniac Méthanol Glycine (Acide aminé) Purine (Base nucléique) Glycéraldehyde (Sucre simple) Acide Myristique (Acide gras) Briques élémentaires du vivant Bombardement tardif (il y a ~ 3.8 Gan) indices observationnels Lune Japet Mars Zircon sur terre Et ensuite ? Astrochimie Acides aminés Sucres / Bases nucléiques Inerte 0 Chimie pré-prébiotique Oligonucléotides Peptides Chimie prébiotique Protéines ARN Métabolisme « chimique » Métabolisme Co-évolution? Gènes Code génétique Biologie – vivant Évolution Darwinienne (vision Louis d'Hendecourt) Vivant 1 Fonctionnement d'une cellule Les plus vieilles formes de vie connues sur terre: il y a 3.5 milliards années Cyanobactéries (algues bleu-vert) Cyanobactéries => Photosynthèse => Rejet de O2 => Explosion du vivant Schopf et al. (2002) Résumé Comme en cuisine, on apporte un peu d'énergie pour transformer la matière et fabriquer des molécules de plus en plus complexes. Des acides aminés et des sucres simples sont formés sur les grains qui constituent les comètes Cette matière a vraisemblablement été apportée sur terre depuis l'espace. Comment la vie s'est-elle développée à partir de ces briques de base ? Merci ! Sommaire des Questions Particularités des acides aminés du vivant ? Pourquoi levogyre, pourquoi ces 22/500 ? L'explosion du vivant Expérience de Miller D'où vient l'océan terrestre ? Bombardement tardif. Grains interplanétaires Conditions d'apparition de la vie ? La vie ailleurs ? Autres formes sur terre ? Système solaire ? Exoplanètes ? Les futures missions spatiales (exoMars, Asteroid redirect). L'explosion du vivant -700 Ma : Apparition des premiers animaux/coquillages et méduses -500 Ma : Apparition des premiers poissons -400 Ma : Premiers insectes -245 Ma : Premiers mammifères -5 Ma : Humanité Australopithèque Env -4,2-2,5 MA Homo sapiens Env 35000 ans Expérience de Miller Hypothèses d’Oparin (1924) et Haldane (1929) Expérience de Miller-Urey (1953) La soupe primitive Acides aminés, bases nucléiques…… Merci ! D'où viennent nos océans ? L'eau salée Et douce Sur la terre Howard Perlman, USGS D'où viennent nos océans ? D'où viennent nos océans ? Lune Bombardement tardif indices observationnels Japet Mars Zircon sur terre Bombardement tardif: le modèle de Nice (Morbidelli et al. 2012) Orbites des planètes externes (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) Avec les petits corps (ceinture de Kuiper) -4.567 Milliards d'années -3.8 Gans à -3.6 Gans Saturne retient Jupiter. Résonance entre planètes Tout est calme et => les planètes externes circulaire s'écartent et perturbent les petits corps. Aujourd'hui La composition de la terre La récolte des grains interstellaires Les poussières « au laboratoire » La récolte des grains interstellaires 300nm Particules terminales: silicates (minéraux) + carbone Microscope électronique, Lille Conditions sur l'apparition de la vie ? La structure de l'atome de Carbone Zone galactique des éléments lourds Saturne nous sauve de Jupiter Bombardement tardif et eau liquide ==> océans Collision lune ==> stabilisation de l'axe terrestre Atmosphère Couverture nuageuse 50% Champ magnétique (protection contre le vent solaire) MAIS résilience de la vie (ex: tardigrades) La vie extrême sur terre Thermophiles au Yellowstone Zone “habitable” (= eau liquide à la surface) Quelques planètes “habitables” en juin 2014 Coulées sur Mars: sublimation de glace de CO2 ? Pilorget & Forget 2016. Image: Mars reconnaissance orbiter. Ces structures se forment à la fin de l'hiver martien. Le paradoxe de Fermi: une intuition géniale? Enrico Fermi Si l’on n’a pas vu de ET’s… c’est que nous sommes les premiers. (argument temporel) Des évolutions planétaires très différentes Venus La Terre Mars La Terre Venus Mars Asteroid redirect La mission Rosetta exoMARS ExoMars Schiaparelli exoMARS Avant Après La tête de Cheval HST
