Description du sujet de thèse

Pour en savoir plus sur les nouveaux mondes fascinants que sont les exoplanètes, plusieurs télescopes spatiaux ont été conçus, comme le JWST (James Webb Space Telescope, lancé en 2021) et Ariel (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large Survey, lancement en 2030). La large couverture en longueur d'onde et la haute sensibilité des instruments embarqués sur ces télescopes nous permettront d'extraire beaucoup plus d'informations de leurs données que ce qui a été possible jusqu'à présent, ce qui conduira à de nombreuses percées. Cependant, l’analyse de la composition atmosphérique des exoplanètes repose fortement sur la spectroscopie moléculaire, qui permet de quantifier les abondances de diverses espèces moléculaires, révélant ainsi la composition et les conditions physiques de ces mondes lointains. Des données spectroscopiques à haute résolution sont essentielles pour interpréter les spectres exoplanétaires observés par les télescopes. Toutefois, le manque de données expérimentales en laboratoire dans l’infrarouge pour de nombreuses molécules, dont de potentielles molécules biosignatures ou précurseurs de celles-ci, limite fortement la modélisation des exoplanètes. En particulier, l’absence de données spectroscopiques IR complètes et à haute résolution pour les molécules contenant des groupes méthyle et présentant des mouvements de grande amplitude (« Large Amplitude Motions », LAMs) souligne la nécessité d’améliorations significatives dans ce domaine.

Au LISA, nous avons des experts dans la modélisation des molécules contenant des LAMs. Des avancées importantes sont requises dans la modélisation théorique pour un certain nombre de rotateurs internes afin de générer des paramètres moléculaires fiables et de permettre des prédictions précises des fréquences et intensités des raies spectrales pour la communauté de la (exo)planétologie. Dans le cadre du projet ANR “EXOBIOLAM (VERS LA DÉTECTION DE BIOSIGNATURES D’EXOPLANÈTES AVEC MOUVEMENTS D’AMPLITUDE ÉLEVÉE PAR SPECTROSCOPIE HAUTE RÉSOLUTION)”, le(a) doctorant(e) recruté(e) participera au développement d’un modèle Hamiltonien complet et analysera les spectres micro-ondes et infrarouges de différentes molécules biosignatures contenant un ou deux rotateurs internes –CH₃. Le(a) doctorant(e) participera également à l’enregistrement et à la collecte de nouvelles mesures dans la gamme spectrale mentionnée ci-dessus. Il/elle sera impliqué(e) dans l’application de ces nouveaux paramètres spectroscopiques à l’étude des atmosphères exoplanétaires, en intégrant ces nouvelles données spectroscopiques haute résolution dans un modèle innovant couplant modélisation cinétique et techniques de restitution pour les exoplanètes. Au LISA, un membre de notre consortium et ses collaborateurs sont les seuls au niveau international à développer des schémas chimiques validés sur des données expérimentales dans des conditions de pression et de température très variées, reflétant la diversité des exoplanètes.

Objectif : Le premier objectif de la thèse est de développer et valider les modèles théoriques et les outils nécessaires à l’analyse des données expérimentales en micro-ondes, (sous-)millimétrique, térahertz (THz) et infrarouge pour différentes molécules présentant un ou deux rotateurs internes, et de préparer des prédictions raie-par-raie à destination de la communauté exo-planétologique. Le(a) doctorant(e) participera également à l’enregistrement et à la collecte de nouvelles mesures dans les domaines spectraux mentionnés ci-dessus.
Le second objectif est l’application des nouvelles données spectroscopiques développées à l’étude des atmosphères planétaires, en utilisant un modèle innovant couplant modélisation cinétique et techniques de restitution pour les exoplanètes. Ce travail sera réalisé au LISA avec des experts en spectroscopie des LAMs et en modélisation des atmosphères (exo)planétaires.
Le(a) doctorant(e) sera co-encadré(e) par Isabelle Kleiner et Olivia Venot au LISA ainsi qu’avec le Dr. P. Asselin du laboratoire « De la Molécule aux Nano-objets : Réactivité, Interactions et Spectroscopies » (MONARIS, Paris) pour la partie expérimentale infrarouge. Le développement théorique et l’ajustement des données spectroscopiques seront réalisés en étroite collaboration avec les partenaires du projet ANR EXOBIOLAM : le laboratoire MONARIS précité, le Synchrotron français SOLEIL pour les nouvelles mesures dans l’infrarouge, le laboratoire LPCA (« Laboratoire de Physico-Chimie de l’Atmosphère », Dunkerque) pour la gamme THz, et le « Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules » (PhLAM, Lille) pour les calculs chimiques quantiques visant à modéliser les interactions anharmoniques. Le modèle de transfert radiatif pour la spectroscopie en transit a été utilisé par des membres de notre consortium ANR (O. Venot, LISA) en collaboration avec les Drs P. Drossart et J.-P. Baulieu de l’Institut d’Astrophysique de Paris (IAP), ainsi qu’avec le Dr P. Lavvas du « Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique » (GMSA, Reims). Des collaborations nationales et internationales sont également prévues.

Contexte de travail

Le programme de doctorat se déroule dans le cadre du projet ANR “EXOBIOLAM” (PI : Dr Isabelle Kleiner).
Le Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA) est une Unité Mixte de Recherche du CNRS, de l’Université Paris-Est Créteil et de l’Université Paris Cité. Il fait partie de l’Observatoire des Sciences de l’Univers EFLUVE et de la Fédération de Recherche IPSL. Le laboratoire est situé à Créteil, une ville étudiante importante de la région parisienne. Ce laboratoire de recherche est un leader international dans le domaine de la modélisation atmosphérique. Sa mission principale est de contribuer à l’amélioration des connaissances sur le fonctionnement des atmosphères terrestres et planétaires, afin de comprendre leur évolution passée et de prédire leurs trajectoires futures. Le doctorant rejoindra le groupe de spectroscopie SPECAT, dont les principaux objectifs sont le développement de la spectroscopie théorique et expérimentale en laboratoire sur des molécules ayant des applications en astrophysique, en atmosphères planétaires ou terrestres. Ce groupe est reconnu internationalement comme expert de premier plan en spectroscopie moléculaire, tant du point de vue de la modélisation que de l’expérimentation. Il est fortement impliqué dans plusieurs bases de données spectroscopiques internationales telles que HITRAN, GEISA, etc.
La thèse sera co-encadrée par la Dr Olivia Venot du groupe Exobiologie et Astrochimie, dont les principaux objectifs sont la recherche de structures moléculaires et l’étude des différents processus physico-chimiques gouvernant l’évolution chimique de divers objets astrophysiques (exoplanètes, comètes, Mars, Titan…). Ce groupe est également fortement impliqué dans l’analyse de données d’observation issues d’instruments au sol et de missions spatiales.
Le(a) doctorant(e) sera amenée également à participer à des expériences de spectroscopie infrarouge au laboratoire « De la Molécule aux Nano-objets : Réactivité, Interactions et Spectroscopies » (MONARIS, Paris) sous la direction du Dr. P. Asselin.

Contraintes et risques

Courts séjours à l’étranger