La chimie de l’atmosphère de TITAN au laboratoire, Stéphane Douin Jeudi 4 avril 2009, Laboratoire de Photophysique Moléculaire du CNRS (Faculté des Sciences, Orsay)

Jeudi 2 avril 2009, 18 heures, à la faculté des sciences d’Orsay. C’est le premier jour des 100 heures de l’astronomie, manifestation planétaire au cours de laquelle tous les citoyens du monde sont invités à observer le ciel. Mais en attendant la tombée de la nuit, les participants au 5ème jeudi de la recherche de la saison 2008-2009 sont venus rencontrer Stéphane Douin dont les travaux de recherche pourraient bientôt apporter un éclairage nouveau sur ce qui se passe dans l’atmosphère de Titan.

La star des satellites

Comparaison de la Terre et de Titan
© NASA

Titan est la plus grosse « lune » de Saturne, à un milliard et demi de km de notre Terre. Ce satellite, découvert en 1655 par l’astronome hollandais Christian Huygens, est l’objet d’un intérêt tout particulier des astronomes : il possède une atmosphère dense (1500 hPa à sa surface contre 1013 sur Terre) principalement composée d’azote (98%) et de méthane (un peu moins de 2%). Ce rocher glacé, plus gros que la Lune, est le siège de vents et de pluies de méthane et les scientifiques supposent que Titan ressemble à la Terre primitive, avant l’apparition de la vie et de l’oxygène… en plus froid toutefois ( -170°C à la surface) !

Mission Cassini-Huygens
© ESA

Il n’en fallait pas plus pour motiver les Hommes à aller voir ce satellite de plus près. Voyager 1, ce grand explorateur de notre système solaire, survola Titan en 1980 mais il ne « vit » pas grand-chose : en effet l’épaisse atmosphère du satellite empêche de voir ce qui se passe en dessous. Il fallut donc attendre deux décennies et un nouveau programme d’envergure conjoint de la NASA et de l’ESA [1] pour repartir à la découverte de cette contrée lointaine. Lancée en 1997, la sonde Cassini se mit en orbite autour de Saturne le 1er juillet 2004. Le 25 décembre, le module Huygens s’en détacha pour amorcer son voyage vers Titan où il se posa le 14 janvier 2005. La descente dura quelques heures au cours desquelles des milliers de clichés furent pris ; elle s’effectua en direct – ou quasiment, la lumière met plus d’1 heure pour nous parvenir de si loin ! – devant les yeux d’internautes du monde entier qui découvraient ces images d’un nouveau monde en même temps que les astrophysiciens. Une émotion partagée qui n’est pas sans rappeler un certain 21 juillet 1969…

Atmosphère, atmosphère…

Photographie en vraies couleurs de couches de nuages de l’atmosphère de Titan.
© NASA

Des dizaines d’équipes dans le monde exploitent aujourd’hui les résultats de la mission Huygens pour chercher à mieux connaître Titan. Un des grands centres d’intérêt est toujours son atmosphère très dense qui est le siège d’une chimie intense : le méthane CH4 situé dans les hautes couches de l’atmosphère de Titan est alors dissocié par la lumière ultraviolette du Soleil. Les produits de cette dissociation sont très réactifs et donnent naissance après interaction avec l’azote N2 à des molécules organiques très simples comme l’acide cyanhydrique (HCN) par exemple. Ces molécules simples peuvent à leur tour réagir pour donner des molécules organiques encore plus complexes. Cette chimie est favorisée par la présence de molécules chargées (en effet Titan n’a pas de champ magnétique et les particules du vent solaire bombardent son atmosphère, ionisant les molécules). Les nombreuses molécules fabriquées dans l’atmosphère finissent par s’agréger en poussières et retomber au sol, générant une sorte de « smog » orangé, couleur caractéristique de Titan. Comme d’autres modélisent l’atmosphère terrestre, des scientifiques se sont attelés à la tâche de modélisation de la photochimie sur Titan. Le méthane joue un rôle clé dans les processus de formation des molécules et pour faire tourner leurs modèles, les climatologues ont besoin de données précises sur les différentes réactions chimiques impliquées. Un travail titanesque, c’est le cas de le dire. Et c’est là qu’intervient Stéphane Douin, physicien moléculariste, pour apporter à cet édifice « un petit grain de savoir », comme il aime à le dire.

Casser le méthane !

La réaction de base de la photochimie de Titan, c’est la photodissociation du méthane par les rayons ultraviolets du Soleil, c’est-à-dire qu’à partir d’une molécule stable CH4, on va obtenir des « radicaux » instables : CH3, CH2 et CH qui n’auront qu’une envie, c’est de réagir avec d’autres molécules, amorçant ainsi de nombreuses réactions qui conduiront à des molécules plus complexes. Il est donc primordial de connaître les « rapports de branchements » de ces réactions, c’est-à-dire quel pourcentage de chaque radical on obtient lorsqu’on photodissocie le méthane. Pour cela, Stéphane Douin et son équipe ont décidé de mettre en place en parallèle deux approches expérimentales dont les résultats pourront être comparés. Ces expériences sont complexes mais le public de ce soir-là a eu la chance d’avoir à faire à un excellent pédagogue qui au travers d’un voyage au cœur de la lumière et de la matière a pu les initier en douceur aux concepts de la photophysique moléculaire. Ce qu’il est important de retenir, c’est que la façon dont une molécule absorbe ou émet la lumière est une véritable signature pour elle. D’une source de lumière « multicolore » comme le Soleil, certaines n’absorberont que le bleu, d’autre le rouge, etc. Ceci est vrai aussi pour d’autres domaines de longueur d’onde comme les infrarouges ou les ultraviolets. Bref, si vous savez quelle partie de la lumière de la source a été absorbée, vous pourrez reconnaître la molécule à l’origine de cette absorption. C’est ainsi par exemple qu’on a pu identifier plus de 140 molécules dans la matière qui se trouve entre les étoiles, sans jamais en avoir rapporté le moindre échantillon, bien entendu ! Cette technique – la spectroscopie – qui est née à la fin du XIXème siècle a donné lieu à de nombreux développements expérimentaux et on peut aujourd’hui l’utiliser pour détecter des radicaux qui ne vivent que l’espace d’un instant.

Expérience de CRDS
© Stéphane Douin, LPPM

La première expérience expliquée par Stéphane Douin est désignée par le sigle anglais CRDS (pour Cavity RingDown Spectrocopy). Dans ce dispositif, deux miroirs traités pour être extrêmement réfléchissants (plus de 99,93% de la lumière qui arrive sur un tel miroir repart en sens inverse) se font face. On utilise comme lumière celle d’un laser dont la longueur d’onde (c’est-à-dire la couleur) et la direction sont bien déterminées. Le faisceau laser fait des allers-retours dans la cavité formée par les 2 miroirs et à chaque fois, une toute petite partie est perdue (0.07% donc) de sorte qu’au bout d’un temps caractéristique de la cavité la lumière s’éteint. On mesure donc ce temps pour la cavité vide. Si on place maintenant un gaz dans la cavité et que la longueur d’onde du laser est telle que la lumière est absorbée par ce gaz, alors le temps de résidence de la lumière dans la cavité va décroître. On aura ainsi mis en évidence l’absorption de la lumière par les molécules présentes dans la cavité. L’avantage de cette technique est qu’elle est extrêmement sensible : elle peut détecter 1 molécule d’intérêt parmi 1012 autres. En effet, la lumière faisant de multiples allers-retours, on a l’équivalent d’un trajet de plusieurs km. Actuellement Stéphane Douin se concentre sur la détection du radical CH et il prévoit déjà des adaptations sur son expérience pour détecter les autres produits de la réaction à partir d’un laser infrarouge : les empreintes spectroscopiques des 3 radicaux CH3, CH2 et CH dans l’infrarouge sont suffisamment proches (mais néanmoins bien distinctes) pour qu’elles puissent être étudiées avec le même jeu de miroirs. Il développe également une source laser dans l’ultraviolet lointain pour reproduire au mieux la lumière qui photodissocie CH4 sur Titan. Comme ont pu le découvrir les participants à ce « jeudi de la recherche » lors de la visite, une telle expérience de photophysique moléculaire ne s’achète pas clé en mains chez un équipementier ! Tout – ou presque – a été conçu au laboratoire par les services techniques à partir des idées des chercheurs. À la différence des expériences d’astrophysique envoyées dans des missions spatiales lointaines, celles sur Terre peuvent être adaptées et perfectionnées au jour le jour ! L’expérience de Stéphane a vu passer sa thèse, il y a quelques années…, et a été modifiée, sujet de recherche après sujet de recherche, jusqu’aux miroirs à la pointe de la technologie tout récemment implantés pour l’expérience de CRDS…

Une autre expérience également menée dans ce groupe de recherche consiste également à casser la molécule de méthane par un laser ultraviolet et à détecter les fragments CH, CH2 et CH3 par ionisation. Une fois les fragments obtenus, on leur arrache un électron à l’aide d’un second laser : les ions ainsi formés sont des particules chargées électriquement ; on peut donc les guider avec des champs électriques et les séparer en fonction de leur masse.

Épilogue.

La route est encore longue pour Stéphane Douin mais ses travaux aboutiront certainement à la production de données très utiles aux astronomes qui veulent comprendre la chimie complexe du plus gros satellite de Saturne… Il est déjà presque 20h30 quand le public quitte le laboratoire de Photophysique moléculaire. La nuit tombe. C’est l’heure de rejoindre le parking du bâtiment 332, un peu plus loin sur la fac où d’autres collègues et des astronomes amateurs les attendent, au pied de leurs lunettes et télescopes. Au programme, la Lune et ses cratères et un petit point brillant dans le ciel : Saturne, ses anneaux et son plus gros satellite : Titan !

Saturne photographiée par l’orbiteur Cassini
© NASA

Notes

[1NASA : National Aeronautics and Space Administration, ESA : European Space Agency