Astrophysique et astrochimie

Michaël De Becker

Masters en Sciences Chimiques

et Sciences Géologiques

2013-2014

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

Plan du chapitre 3

3.1. Contenu moléculaire de la Galaxie 3.1.1. Composés inorganiques

3.1.2. Hydrocarbures

3.1.3. Composés organiques avec groupes fonctionnels

3.2. Questions scientifiques importantes 3.2.1. La quête des acides aminés

3.2.2. Le problème de l'homochiralité

3.2.3. La filiation moléculaire

• Composés inorganiques: CO

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• Composés inorganiques: CN/HCN

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• Composés inorganiques: l'eau

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• Hydrocarbures:

Aliphatiques:

(alcanes, alcènes, alcynes...)

ex: méthane, éthylène, acéthylène, propylène, polyines divers...

Identifications:

- signatures nombreuses d'alcanes en IR

- identifications plus spécifiques en mm/sub-mm

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• Hydrocarbures: formation du méthane…

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• PAHs: un constituant du milieu interstellaire

Observations IR : bandes d’émission à 3.29, 6.2, 8.6, et 11.3 m

• PAHs: un constituant du milieu interstellaire

Observations IR : bandes d’émission à 3.29, 6.2, 8.7, et 11.3 m

Dans toutes les directions très répandu

Bandes d’émission intenses très abondant

Années 70 : fluorescence, mais molécules non-identifiées

Années 80 : hydrocarbures aromatiques polycycliques…

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• PAHs: structure des PAHs2 grandes classes de

PAHs

1. Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles

1. Péricondensés: C appartenant à 3 cycles

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• PAHs: structure des PAHs2 grandes classes de

PAHs

1. Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles

1. Péricondensés: C appartenant à 3 cycles

acènes : linéaires phènes : coudés

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• PAHs: structure des PAHs2 grandes classes de

PAHs

1. Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles

1. Péricondensés: C appartenant à 3 cycles

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• PAHs: chimie des PAHs : formation

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• PAHs: chimie des PAHs : formation

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• PAHs: chimie des PAHs : photochimie

Absorption d’un photon UV 2 scénarios: relaxation radiative ou photodissociation

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• PAHs: chimie des PAHs : photochimie

Absorption d’un photon UV 2 scénarios: relaxation radiative ou photodissociation

En cas de photodissociation:

- rupture de liaison : perte d’un groupe latéral

- décondensation concertée: seul scénario envisagé pour la rupture de cycle aromatiques

concerté: la formation de nouvelles liaisons et la rupture d’autres liaisons sont simultanées

énergétiquement accessible, même si plus coûteux que la dissociation d’un groupe latéral

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• PAHs: chimie des PAHs : réactions bimoléculairesRéaction avec un électron:

Réaction d’échange de charges:

Réaction ion-molécule:

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• PAHs: chimie des PAHs : rôle catalytique

Interactions PAH – molécule

similitude avec les processus en surface des grains de poussière!

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• Autres composés carbonés : fullerènes

C60, C70: identifiés dans une nébuleuse planétaire (2010)

Formation: environnement riche en C et pauvre en H (?)

(absence d'hydrocarbures aliphatiques et aromatiques où ils ont été détectés)

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• Autres composés carbonés : fullerènes

C60 : identifié dans deux nébuleuses à réflexion (2010)

Environnement riche en C où l'H est aussi présent

(présence d'hydrocarbures aliphatiques et aromatiques)

→ Variété de conditions physico-chimiques propices à leur formation

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• Composés organiques: quelques exemples...

Composés mono-fonctionalisés:

Acides carboxyliques, aldéhydes, cétones, amines, amides, alcools, thiols, nitriles...

Composés di-fonctionalisés:

Amino-acétonitrile, éthylène glycol, glycolaldéhyde, cyanoformaldéhyde, cyanométhanimine

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• Composés organiques: formation du formaldéhyde…

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• Autres composés organiques: carbohydratesCarbohydrates en biochimie: ribose et désoxyribose

Carbohydrates dans le milieu interstellaire? Oui, le glycolaldehyde

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• Autres composés organiques: hétérocycles

Hydrocarbures cycliques, incluant un hétéroatome (N, O,…)

Hétérocycles en biochimie: bases azotées…Purines: A, GPyrimidine: T, U, C

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• Autres composés organiques: hétérocycles

Hydrocarbures cycliques, incluant un hétéroatome (N, O,…)

Hétérocycles en biochimie: bases azotées…Purines: A, GPyrimidine: T, U, C

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• Autres composés organiques: hétérocycles

Leur formation est-elle envisageable dans l’ISM?- l’existence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces

sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non-saturées

- l’existence d’hydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que l’incorporation d’N est probable

Leur formation est-elle envisageable dans les comètes?- dans les comètes, des études récentes suggèrent la présence de

composés complexes à haut poids moléculaire incluant C et N, avec un assez haut degré d’insaturation (cfr polymères de HCN) : similitudes avec des hétérocycles azotés

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• Autres composés organiques: hétérocycles

Leur formation est-elle envisageable dans l’ISM?- l’existence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces

sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non-saturées

- l’existence d’hydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que l’incorporation d’N est probable

Leur formation est-elle envisageable dans les comètes?- dans les comètes, des études récentes suggèrent la présence de

composés complexes à haut poids moléculaire incluant C et N, avec un assez haut degré d’insaturation (cfr polymères de HCN) : similitudes avec des hétérocycles azotés

Leur stabilité est-elle envisageable dans les environnements interstellaires? - les PAHs azotés sont très sensibles à la photolyse par les UV - les hydrocarbures azotés monocycliques y sont moins sensibles - leur photostabilité décroît si le nombre de N incorporés augmente

Sites de formation vraisemblable: particules interplanétaires, astéroides, comètes...

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• Autres composés organiques: hétérocycles

Leur formation est-elle envisageable dans l’ISM?- l’existence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces

sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non-saturées

- l’existence d’hydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que l’incorporation d’N est probable

Leur formation est-elle envisageable dans les comètes?- dans les comètes, des études récentes suggèrent la présence de

composés complexes à haut poids moléculaire incluant C et N, avec un assez haut degré d’insaturation (cfr polymères de HCN) : similitudes avec des hétérocycles azotés

Leur stabilité est-elle envisageable dans les environnements interstellaires? - les PAHs azotés sont très sensibles à la photolyse par les UV - les hydrocarbures azotés monocycliques y sont moins sensibles - leur photostabilité décroît si le nombre de N incorporés augmente

Sites de formation vraisemblable: particules interplanétaires, astéroides, comètes...

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

• Autres composés organiques: hétérocycles

Leur formation est-elle envisageable dans l’ISM?- l’existence de PAHs en abondance montre que des processus efficaces

sont responsables de la formation de molécules cycliques et polycycliques non-saturées

- l’existence d’hydrocarbures non-saturés porteurs de groupes nitriles suggère que l’incorporation d’N est probable

Leur formation est-elle envisageable dans les comètes?- dans les comètes, des études récentes suggèrent la présence de

composés complexes à haut poids moléculaire incluant C et N, avec un assez haut degré d’insaturation (cfr polymères de HCN) : similitudes avec des hétérocycles azotés

Leur stabilité est-elle envisageable dans les environnements interstellaires? - les PAHs azotés sont très sensibles à la photolyse par les UV - les hydrocarbures azotés monocycliques y sont moins sensibles - leur photostabilité décroît si le nombre de N incorporés augmente

Sites de formation vraisemblable: particules interplanétaires, astéroides, comètes...

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• Autres composés organiques: hétérocycles

Hétérocycles dans les météorites:De nombreuses détections, y compris de molécules proches de la pyrimidine!!

Hétérocycles dans le milieu interstellaire:Petites molécules cycliques (à confirmer…)

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Chronologie de quelques découvertes

Voir site web: http://www.astrochymist.org/

Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

1940 19701950 1960

1937CH

Radicalméthylidyne

1940 19701950 1960

1937CH

1940CN

1941CH+

1940 19701950 1960

1937CH

1940CN

1941CH+

1963OH

1968NH

3

1969H

2O

H2CO

1970 20001980 1990

1970COCH

3OH

1971HCNHCOOHSiOCH

3CN

NH2CHO

1972H

2S

1973CH

3CHO

CH2NH

H2CS

1974CH

3OCH

3

CH3NH

2

1975CH

3CH

2OH

HCOOCH3

SO2

NH2CN

1970 20001980 1990

1976C

2H

2

HC5N 1979

CH3SH

OCN-

1977CH

3CH

2CN

H2CCO

1978HC

7N

HC9N

C4H

NO

1970 20001980 1990

1984SiH

4 1985HCl

1981C

2H

41987(CH

3)

2CO

NaCl

1989CO

2

1970 20001980 1990

1991CH

4

1997CH

3COOH

HC11

N

2000CH

2OHCHO

2000 20152005 2010

2006CH

3CONH

2

2002HOCH

2CH

2OH

2001C

6H

6

2004N

2

2008NH

2CH

2CN

2000 20152005 2010

2006CH

3CONH

2

2002HOCH

2CH

2OH

2001C

6H

6

2004N

2

2008NH

2CH

2CN

H2O

2000 20152005 2010

2010C

60

C70

2011H

2O

2

O2

2012HNCNH

2013CH

3CHNH

HNCHCN