Détecter les molécules provenant d’environnements extraterrestres
Les processus physico-chimiques qui se produisent dans les environnements extraterrestres passionnent et interrogent les scientifiques. Mais pour les étudier, il faut parvenir à détecter les molécules qui se forment dans ces milieux et suivre leur évolution, parfois à des températures très basses. Derrière les portes de l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes), une équipe développe un spectromètre de pointe pour détecter ces molécules dans des conditions extrêmes de température.
Les astronomes peuvent identifier de nouvelles molécules en étudiant le spectre de la lumière émise par une étoile, qui traverse le milieu interstellaire et parfois l’atmosphère d’une planète avant d’arriver jusqu’au télescope qui la mesure. À partir du spectre obtenu, il est possible de connaître la densité de certaines molécules, que ce soit par exemple de l’eau ou du méthane.
Certains composés retrouvés dans ces milieux lointains se forment cependant via des processus encore peu connus.
C’est dans ce contexte que Lucile Rutkowski, chercheuse du CNRS à l’Institut de physique de Rennes (IPR)1, a mis ses compétences en instrumentation optique au service du projet CECoSA, financé par l'ANR2. Le but ? Développer des méthodes de détection adaptées au diagnostic rapide en environnements extrêmes, afin de détecter et de suivre les traces d’espèces très réactives.
Un instrument ambitieux
Au sein de l’Institut de Physique de Rennes, le département de physique moléculaire développe depuis plusieurs décennies un savoir-faire unique reposant sur des jets moléculaires froids pour étudier des processus moléculaires intéressants pour les astronomes. Cependant, il est encore aujourd’hui très difficile de suivre l’évolution de plusieurs molécules, comme les réactants et les produits d’une réaction chimique, de manière simultanée. L’objectif du projet CECoSA est le développement d’un instrument capable de détecter une multitude de composants chimiques. « Sur un spectre, on va chercher des raies d’absorption spécifiques à une molécule pour l’identifier, il s’agit de sa signature spectrale », décrit Lucile Rutkowski.
Avec son équipe, elle a entrepris le développement d’un spectromètre qui allie un laser à impulsions femtosecondes3, qui génère un spectre comprenant des modes fins et équidistants, rappelant les dents d’un peigne. Très précis et fonctionnant dans le moyen infrarouge (de 2,5 à 10 µm), cet outil haute sensibilité peut détecter des composés chimiques à l’état de trace. « Grâce à ce spectromètre, on bénéficie à la fois d’une large gamme spectrale dans le moyen infrarouge et d’une haute résolution », résume la chercheuse.
Mais ce n’est pas tout. L’étude des réactions chimiques nécessite de suivre à des échelles de temps courtes l’évolution des quantités des réactifs et produits. Pour faire des détections résolues dans le temps, la chercheuse a choisi d’utiliser une nouvelle approche qu’elle a testée puis publiée avec son doctorant.