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H/F Interactions eau-nanograins carbonés dans les régions de formation stellaire et planétaire

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Informations générales

Référence : UMR5589-JEALHE0-002
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : jeudi 18 juin 2020
Nom du responsable scientifique : Sébastien Zamith
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Grâce à sa sensibilité sans précédent, à ses performances spectrales et sa résolution angulaire inégalées en astronomie spatiale infrarouge, le James Webb Space Telescope (JWST, lancement prévu en mars 2021) va nous donner une nouvelle vision de la structuration physique et chimique des régions de photodissociation associées aux régions de formation stellaire et planétaire [1]. Dans ces régions, la matière constituée de gaz et de très petites particules de poussières est couplée au champ de rayonnement ultraviolet (UV) des étoiles. Les missions spatiales précédentes, notamment le télescope Spitzer, ont permis d'observer la destruction des nanograins carbonés et la production de molécules polycyliques aromatiques hydrogénées (PAH) dans les bords de ces régions de photodissociation (PDR) fortement irradiées par le rayonnement UV [2]. Ces nanograins carbonés proviennent de zones plus internes des nuages dans lesquelles les modèles prédisent la transition entre l'eau sous forme gazeuse et sous forme de glace [3].

Cette thèse d'astrophysique de laboratoire a pour objectif d'étudier l'évolution d'analogues de nanograins carbonés des PDR. Ceux-ci seront constitués d'agrégats mixtes molécules aromatiques/ molécules aliphatiques/eau, contrôlés en taille et en température, et isolés dans des conditions proches de celles des milieux astrophysiques. Les processus d'interaction par collisions avec différents atomes/molécules et d'irradiation par des photons UV seront alors étudiés. Le projet bénéficie de récents développements expérimentaux réalisés au LCAR. D'une part, une source à agrégation gazeuse capable de produire une grande variété d'agrégats mixtes y a été développée pour mener des expériences de dissociations induites par collisions et des mesures de taux d'évaporation d'agrégats sélectionnés en taille [4]. D'autre part, le montage expérimental PIRENEA 2, en cours développement dans le cadre du projet européen ERC Synergy Nanocosmos [5], combine un environnement cryogénique et plusieurs techniques de piégeage d'ions qui permettent d'étudier des processus moléculaires dans des conditions proches de celles rencontrées dans les nuages moléculaires interstellaires.

Le présent projet de doctorat consiste plus précisément à étudier les propriétés d'agrégats mixtes contenant des PAH (incluant leurs dérivés méthylés) et de l'eau, (PAH)n(H2O)m, m,n=1-10. Le/la doctorant.e devra tout d'abord optimiser les paramètres de la source pour produire les espèces à étudier ; il mènera ensuite des expériences de dissociation induite par collision sur le montage de l'équipe Agrégats. Il/elle produira les mêmes espèces sur le montage PIRENEA 2 à partir d'une source similaire à celle du montage Agrégats. Il/elle étudiera l'interaction des complexes mixtes avec des photons UV/visible, explorant les phénomènes de désorption et la formation possible par photochimie de nouvelles espèces. Tous ces processus seront étudiés en fonction de la longueur d'onde d'irradiation, ainsi que de la taille, de la stœchiométrie et de la température initiale des agrégats que l'on peut faire varier entre 10K et 300K. Ce projet expérimental sera accompagné de travaux théoriques menés au LCPQ par l'équipe MAD [6]. La confrontation de ces résultats avec les données du programme ERS du JWST sera facilitée par la forte implication de l'équipe MICMAC dans ce programme [1].

Ce travail doctoral se déroulera dans un contexte interdisciplinaire mêlant physique des agrégats, physico-chimie et astrophysique. Il bénéficiera d'une synergie entre plusieurs équipes de recherche aux compétences complémentaires : le département MICMAC de l'IRAP (astrophysique de laboratoire et observations astronomiques), l'équipe Agrégats du LCAR (physique expérimentale) et l'équipe MAD du LCPQ (simulations de physique quantique).

[1] Programme “Early Release Science” (ERS) intitulé “Radiative feedback from massive stars”; www.jwst-ism.org
[2] P. Pilleri, J. Montillaud, O. Berné, and C. Joblin, Astron. & Astrophys 542, A69 (2012)
[3] D. Hollenbach, M. J. Kaufman, E. A. Bergin, G. J. Melnick, Astrophys. J. 690, 1497 (2009)
[4] I. Braud, S. Zamith, and J.-M. L'Hermite, Rev. Sci. Instrum. 88, 43102 (2017)
[5] A. Bonnamy et al., 2018, https://nanocosmos.iff.csic.es/technology/pirenea-2-pirenea-and-espoirs-upgrades/
[6] E. Michoulier, N. Ben Amor, Mathias Rapacioli, J. A. Noble, J. Mascetti, C. Toubin, A. Simon, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 11941-11953 (2018)

Contexte de travail

Le Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité (LCAR) est une Unité Mixte de Recherche de 41 personnes, sous tutelle de l'Institut de Physique du CNRS et de l'Université de Toulouse III qui l'héberge. La totalité des activités du LCAR se déroule sur le campus de l'Université Toulouse III.

Le LCAR réunit six équipes de recherche, une théorique et cinq expérimentales, dont les travaux sont dédiés à des recherches fondamentales. Ces équipes de recherche sont réparties dans deux axes principaux : « physique moléculaire » et « interaction laser-matière ». Depuis 2015, deux expériences menées par une équipe de l'Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) sont hébergées au LCAR et d'importantes synergies se sont constituées entre cette équipe et les équipes de l'axe moléculaire du LCAR.
La thèse se situe dans un contexte interdisciplinaire mêlant physique des agrégats, physico-chimie et astrophysique. Il bénéficiera d'une synergie entre plusieurs équipes de recherche aux compétences complémentaires : le département MICMAC de l'IRAP (astrophysique de laboratoire et observations astronomiques), l'équipe Agrégats du LCAR (physique expérimentale) et l'équipe MAD du LCPQ (simulations de physique quantique).

Le travail doctoral se déroulera au LCAR sur des expériences communes menées par les équipes Agrégat du LCAR et MICMAC de l'IRAP. L'étudiant.e sera co-encadré.e par Christine Joblin (DR CNRS IRAP) et Sébastien Zamith (CR CNRS LCAR) au sein d'une équipe d'une ½ douzaine de personnes.

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