Description du sujet de thèse

Depuis l’arrivée des premières données du JWST à l’été 2022, la communauté Astrophysique et Astronomie a pu faire un énorme bon dans la caractérisation des atmosphères d’exoplanètes. Pour la première fois, une espèce soufrée, le dioxyde de soufre (SO2), a été détectée dans l’atmosphère d’exoplanètes chaudes (Tsai et al. Nature, 2023 ; Dyrek et al. Nature, 2023). La compréhension de cette découverte a été possible uniquement grâce à l’utilisation de modèles de cinétique atmosphérique utilisés pour interpréter les données d’observations. En effet, les modèles classiques d’équilibre thermochimique ne prédisent pas la présence de SO2 dans de telles conditions de température et pression. En revanche, les modèles « thermo-photochimiques » (i.e. cinétique), qui prennent en compte les processus de déséquilibre chimique (photochimie et transport) arrivent à reproduire les abondances de SO2 observés : le dioxyde de soufre est produit grâce à un processus réactionnel initié par la photochimie (dissociation d’une espèce par les photons stellaires). Pour fonctionner, ces modèles cinétiques reposent sur des schémas chimiques (centaines de réactions et vitesses associées) permettant de décrire les processus chimiques se déroulant dans les atmosphères. La fiabilité de ces schémas est donc cruciale pour notre compréhension des mondes (exo)planétaires.
Dans ce contexte, une solide collaboration interdisciplinaire, unique au monde, entre Olivia Venot (LISA), experte en modélisation atmosphérique d’exoplanètes, et Baptiste Sirjean (LRGP), expert en chimie de la combustion, a déjà permis de développer des schémas chimiques CHON (Carbone, Hydrogène, Oxygène, Azote) adaptés aux conditions extrêmes que l’on trouve dans les exoplanètes chaudes (Veillet, Venot, Sirjean et al. 2024). Les schémas développés dans cette collaboration sont d’une extrême robustesse grâce à un important processus de validation expérimentale (reproduction des expériences de combustion). Un schéma contenant du Soufre (S) est en cours de finalisation dans le cadre de l’ANR EXACT (PI: Venot) et sera publié d’ici l’été 2024.
Après l’ajout du Soufre, il est indispensable d’ajouter le Phosphore (P) au schéma chimique. En effet, la phosphine (PH3) a été détectée dans certaines planètes géantes du Système Solaire (Jupiter, Saturne) depuis plus de 30 ans (Beer et al. 1979 ; Drossart et al. 1982 ; Fletcher et al. 2009) et des études (Wang et al. 2017; Baudino et al. 2017) ont montré cette espèce pourrait aussi être détectable dans les atmosphères d’exoplanètes chaudes.
Du point de vue des procédés thermiques, l'extension du schéma CHONS aux composés phosphorés revêt également une importance capitale dans les applications de combustion. Les composés P sont présents dans un grand nombre de produits chimiques et se retrouvent comme retardateurs de flamme dans les matériaux. La combustion de ces composés, que ce soit lors d'accidents d'incendie ou lors de l'incinération de déchets, nécessite de comprendre et de prévoir la formation des polluants émis. De nos jours, le schéma de combustion des composés phosphorés reste mal décrit par rapport aux systèmes CHON. De plus, presque aucun travail n’a été réalisé sur les interactions chimiques entre les composés P et CHONS à haute température. Par conséquent, le développement et la validation d’un système CHONSP pour la combustion à haute température auraient un impact important sur la communauté et l’industrie de la combustion.
Objectif : Pendant la première partie de la thèse, l'étudiant (H/F) développera le schéma CHONS+P, en partant de notre schéma CHONS le plus récent (Veillet+en prép.). Cela nécessitera à la fois un travail de bibliographie, afin de rassembler une base de données expérimentales sur la cinétique de combustion sur les espèces phosphorées, et aussi pour les réactions manquantes (couplage S-P, entre radicaux, …) un important travail de calcul théorique (ab-initio), dont le LRGP possède l’expertise. Le modèle cinétique étendu au P et incluant son couplage à la chimie de S, N et C sera comparé à la base de données expérimentale pour s’assurer de la validité du schéma sur une large gamme de températures, compositions et pressions. Pendant la deuxième partie du doctorat, l'étudiant (H/F) appliquera le schéma nouvellement développé à l'étude des atmosphères planétaires, en utilisant un modèle cinétique. Il s’agira de modéliser la composition moléculaire d’atmosphères prenant un compte les réactions chimiques, les photodissociations, le mélange et la diffusion moléculaire. Ces résultats de modèles seront comparés aux données du JWST et seront utilisées pour préparer les observations du télescope Ariel. Ce travail sera effectué au LISA avec des experts en modélisation des atmosphères (exo)planétaires.
Activités :
Les principales tâches de l’étudiant(e) en thèse seront les suivantes :
- Travail bibliographique
- Conduire le développement et la validation des modèles cinétiques CHONS+P
- Développer des méthodes, utilisant la chimie computationnelle, pour calculer et tabuler les constantes de vitesse en phase gazeuse.
- Adapter le code de cinétique chimique existant au nouveau schéma développé
- Développer des modèles atmosphériques pour diverses exoplanètes et étudier leur composition chimique.
- Évaluer la détectabilité des nouvelles espèces P sur des spectres synthétiques.
- Rédiger des articles scientifiques, son manuscrit de thèse et diffuser les résultats de la recherche lors de conférences et de séminaires.

Compétences :
Vous êtes un candidat (H/F) motivé qui sera pleinement impliqué dans un projet interdisciplinaire stimulant reliant les domaines de la combustion et de l'astrophysique. Vous aurez une double expertise, à la fois dans le développement de schémas chimiques et dans la modélisation atmosphérique. Cette formation unique lui garantira un profil interdisciplinaire sans précédent. Profil souhaité : i) Soit un Master ou un diplôme d'ingénieur en chimie organique, génie chimique, chimie, physique ou domaines connexes avec un grand intérêt pour l'astrophysique, en particulier les exoplanètes, soit un Master en astrophysique, avec une solide formation en chimie, génie chimique ; ii) Bonnes connaissances de l'anglais pour travailler dans un environnement international ; iii) Bonnes connaissances en programmation.

Contexte de travail

Le programme de doctorat se déroule dans le cadre du projet CNRS 80 Prime 2024. Le doctorant (H/F) travaillera au LRGP pendant les 18 premiers mois de sa thèse et au LISA pendant les 18 autres mois. Dans ces deux laboratoires, il rejoindra des équipes actives composées de plusieurs chercheurs permanents, de doctorants et de post-docs.
- Le Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP) est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'Université de Lorraine. Il est situé à Nancy, deuxième ville étudiante de France. Il est principalement situé en centre-ville, dans les locaux de l'Ecole Nationale Supérieure des Industries Chimiques de Nancy (ENSIC). Le laboratoire de recherche est un laboratoire de pointe en France et dans le monde en matière de chimie et de génie des procédés. Le/la candidat(e) au doctorat travaillera au sein du groupe de cinétique radicalaire, qui possède une expertise internationalement reconnue en cinétique de la combustion, tant du côté expérimental que de la modélisation. Les dispositifs expérimentaux existants pour étudier ces phénomènes comprennent des expériences en tube de choc, en flammes laminaires et en réacteur à jet. Les outils numériques comprennent Gaussian16, Chemkin Pro, COSMO-RS et d'autres codes similaires.
- 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 de Paris. Il fait partie de l'Observatoire des Sciences de l'Univers EFLUVE et de la Fédération de Recherche IPSL. Il est situé à Créteil, une importante ville étudiante de la région parisienne. Le laboratoire de recherche est un leader dans la modélisation atmosphérique au niveau international. Sa mission principale est de contribuer à améliorer notre connaissance du fonctionnement des atmosphères terrestre et planétaire afin de comprendre leur évolution passée et de prédire leurs trajectoires futures. Le/la candidat(e) au doctorat rejoindra le groupe Exobiologie et Astrochimie, dont les principaux objectifs sont la recherche de structures moléculaires et l'étude des différents processus physico-chimiques régissant l'évolution chimique de divers objets astrophysiques (exoplanètes, comètes, Mars, Titan...). Ils sont reconnus internationalement comme des experts de classe mondiale dans le domaine des atmosphères planétaires, tant d'un point de vue modélisation qu'expérimental. Ils sont fortement impliqués dans l'analyse des données d'observation provenant d'installations au sol et de missions spatiales.
Ce projet s’inscrira également dans le contexte du projet ANR JCJC "EXACT" dirigé par Dr Olivia Venot et impliquant une collaboration avec le LRGP.

Nous offrons : une formation pluridisciplinaire et une formation utilisant des équipements de recherche de pointe, des participations à des écoles, conférences et ateliers nationaux ou internationaux. Le/la doctorant(e) suivra également des formations de haut niveau proposées par l'Ecole Doctorale.