La polarimétrie au service de l’astrobiologie

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1 La polarimétrie au service de l’astrobiologie
Nadine Manset 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

2 Astro-bio-polaro-métrie
Un tout petit peu de polarimétrie Un peu pas mal de biologie Une idée pour détecter de la vie ailleurs que sur Terre Expérience spectropolarimétrique avec ESPaDOnS: en labo sur le ciel 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

3 Polarisation de la lumière
La lumière est une onde électro-magnétique. 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

4 Lumière non-polarisée
30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

5 Polarisation linéaire
30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

6 Polarisation circulaire
30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

7 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Qu’est ce que l’astrobiologie? (exobiologie, bioastronomie, cosmobiologie) Etude de l’origine de la vie, de son évolution et de sa distribution dans l’Univers, ainsi que des processus et structures qui y sont associées Ses piliers (science pures) sont: la physique, la chimie et la biologie Sciences appliquées: astronomie, astrophysique, planétologie, physique atmosphérique, climatologie, géologie, géophyique, géochimie, biochimie, paléontologie, microbiologie... 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

8 Buts de l’astrobiologie
Le NASA Astrobiology Institute veut répondre aux questions suivantes: Comment la vie a-t-elle commencé et s’est-elle développée? Y a-t-il de la vie ailleurs dans l’Univers? Quel est le futur de la vie sur Terre et ailleurs? ? ? ? ? ? ? ? ? 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

9 Définition de la vie Un système qui contient de l’information, se reproduit et évolue. 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

10 Ingrédients nécessaires à la vie
Source de C, H, N, O, ... Energie: lumineuse (photosynthèse) - ex: plantes chimique (chimiosynthèse) ex: extrémophiles dans les sources hydrothermales, bactéries vivant dans le sous-sol à 1.8 km sous les Rocheuses hétérotropie - ex: mammifères H2O (liquide) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

11 Exemples d’organismes vivants
Sur Terre, les 3 domaines du vivant sont: Archeabactéries (unicellulaires procaryotes (pas de noyaux)), dont plusieurs extrémophiles Eubactéries ou bactéries (procaryotes) Eucaryotes (cellules avec noyaux): champigons plantes animaux protistes 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

12 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Extrémophiles Psychrophiles (froid), jusqu’à –10ºC Thermophiles (chaud), jusqu’à 113ºC Barophiles (pression), jusqu’à atmosphères Acidophiles, alcaliphiles (environnements acides ou basiques) Halophiles (sel), jusqu’à une salinité de 35% Résistance au vide (streptocoques sur la caméra de Surveyor 3, rapportés par la mission Apollo12) Résistance aux radiations (ex: Deiococcus radiodurans qui se développe dans les conduites d’eau de refroidissement des réacteurs nucléaires) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

13 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Chimie de la vie C H3+N COO- R H = acides aminés protéines (structure) C, N, O, H base azotée (GACT/U) sucre groupement phosphate + = nucléotides Acides nucléiques ADN, ARN (information) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

14 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Mais encore... Hydrates de carbone (sucres) Lipides (graisses) Vitamines Co-facteurs (fer, magnésium...) Hormones ... 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

15 Acides aminés et nucléotides
Il existe des centaines d’acides aminés, mais seulement 20 sont utilisés fréquemment dans les organismes vivants (2 moins fréquemment) Les bases azotées sont des purines et pyrimidines, dont il existe une multitude, mais seulement 5 sont utilisés 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

16 Chiralité des acides aminés
En labo, on peut créer des acides aminés “gauche” et “droite” en quantités égales Mais la très vaste majorité des organismes vivants ne sont constitués que d’acides aminés “gauche” 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

17 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

18 Production de molécules chirales en labo
Des molécules chirales (incluant des acides aminés) peuvent être produites en labo avec de la polarisation circulaire dans l’UV ( Å), où sont les bandes de dichroisme circulaire (absorption différente selon que la polarisation circulaire est gauche ou droite) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

19 Production de molécules chirales en labo
30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

20 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. On peut les produire en labo. 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

21 Production de molécules chirales dans la Nature
En dehors des labos, comment produire les molécules chirales des organismes vivants: Origine terreste (polarisation UV de la lumière du jour, asymétrie de la force électrofaible): non Origine extra-terrestre plus probable: SN (non) régions de formation stellaire (oui): diffusion de la polarisation linéaire sur des grains sphériques ou diffusion sur des grains asphériques alignés pour obtenir de la polarisation circulaire 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

22 Production de molécules chirales dans Orion OMC-1
“Circular polarization in star-formation regions: implications for biomolecular homochirality”, Bailey et al., Science, July 1998 Imagerie polarimétrique dans IR: jusqu’à 17% de polarisation circulaire dans la nébuleuse par réflection (source obscurcie) Possibilité d’avoir de la polarisation circulaire dans l’UV aussi Mais il faut que la polarisation soit dans certaines bandes seulement! 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

23 Production de molécules chirales dans Orion OMC-1
Molécules chirales produites s’il y a peu de flux UV en-dessous de 2000Å: étoiles A3 et plus froides 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

24 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. On peut les produire en labo. On peut les produire dans les régions de formation stellaire. 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

25 Du milieu interstellaire à la Terre
Des acides aminés ont été créés dans Orion, mais dans le Système Solaire aussi? Si des acides aminés ont été créés dans le Système Solaire, auraient-ils pu arriver sur Terre? OUI! 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

26 Météorite de Murchison
Météorite tombée en Australie en Septembre 1969. Contient des composés organiques, dont 8 acides aminés utilisés par les organismes terrestres! Il y a même un excès d’acides aminés gauche! 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

27 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. On peut les produire en labo. On peut les produire dans les régions de formation stellaire. On les trouve dans des météorites. 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

28 Où regarder pour trouver de la Vie?
La Terre (surtout pour découvrir de nouveaux extrémophiles) Mars (sous-sol) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

29 Où regarder pour trouver de la Vie?
La Terre (surtout pour découvrir de nouveaux extrémophiles) Mars (sous-sol) Europe (banquise en mouvement, glace, eau liquide) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

30 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

31 Où regarder pour trouver de la Vie?
La Terre (surtout pour découvrir de nouveaux extrémophiles) Mars (sous-sol) Europe (banquise en mouvement, glace, eau liquide) Titan (labo avec une chimie organique variée) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

32 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Comment regarder? Idéalement: échantillons, analyse, composition, structures qui ressemblent à des bactéries, fossiles Imagerie: traces de flots liquides, couleur Spectroscopie: identification des éléments, gaz (ex: oxygène + méthane), red edge Polarimétrie: chiralité 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

33 Chiralité et polarisation
lumière + molécules chirales polarisation circulaire 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

34 Chiralité et polarisation
lumière + acides aminés polarisation circulaire 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

35 Chiralité et polarisation
lumière + organismes vivants polarisation circulaire 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

36 Chiralité et feuilles vertes Houssier & Sauer (1970)
Houssier & Sauer (1970) ont mesuré le dichroisme circulaire de la chlorophylle et autres pigments similaires utilisés par les plantes pour faire de la photosynthèse CD Absorbance 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

37 Chiralité et feuilles vertes Prospergelis (1969)
Prospergelis (1969) a mesuré la polarisation linéaire et circulaire produite par différents objets (roches, surfaces de couleur, feuilles vertes) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

38 Chiralité et feuilles vertes Wolstencroft et al. (2002)
Wolstencroft et al. (2002) ont détecté des molécules chirales dans des feuilles vertes, en utilisant la technique “Diffuse Reflectance Circular Dichroism” 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

39 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Idée Pourrait-on utiliser un polarimètre pour voir s’il y a des molécules chirales sur Mars, Europe, Titan...? Comment interpréter les résultats? Il faudrait des mesures en labo sur des échantillons vivants. Quel instrument utiliser? ESPaDOnS 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

40 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
ESPaDOnS ESPaDOnS est un spectro-polarimètre qui obtient en une seule pose une couverture de 3700Å à 10500Å avec une résolution spectrale de 68,000 ESPaDOnS peut mesurer la polarisation circulaire ou linéaire 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

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ESPaDOnS 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

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ESPaDOnS 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

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Spectres ESPaDOnS 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

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Expériences ESPaDOnS William B. Sparks (Space Telescope Science Institute) James H. Hough (Center for Astrophysics Research, University of Hertfordshire, UK) Feng Chen, Shil DasSarma (Center for Marine Biotechnology, University of Maryland) Thomas Germer (National Institute for Standards and Technology, Maryland) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

45 ESPaDOnS – Expérience de jour
Module Cassegrain sur le plancher Source de lumière, échantillons, lentilles Analyse par le module Cassegrain Fibres optiques jusqu’au spectrographe Spectroscopie Mesure de la polarisation, recherche d’une biosignature 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

46 ESPaDOnS – Expérience de jour
30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

47 ESPaDOnS – Expérience de jour Echantillons utilisés
Feuilles vertes Bactéries Roches Papier filter (blanc, noir) Polariseurs 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

48 ESPaDOnS – Observations au télescope
Observations spectro-polarimétriques de: Titan, Iapetus Europe, Io, Ganymède Deux buts: étude de la polarisation de ces objets recherche de signes de molécules chirales 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

49 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
ESPaDOnS – Résultats Problème de birefringence dans une lentille, produisant de la polarisation instrumentale: Une partie de la polarisation circulaire se retrouve dans Q (linéaire) La lentille produit du circulaire On ne peut pas se fier au niveau absolu de polarisation 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

50 ESPaDOnS – Expérience de jour Papier filtre
Plin~ 3%, 1.5% Pcirc ~ -0.05% 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

51 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Roches - Souffre 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

52 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Roches - Mixte 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

53 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Feuille verte 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

54 Feuille verte Signatures spectrales Red Edge 30 mai 2005
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55 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Bactéries 4 types de bactéries 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

56 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Bactéries - Résultats 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

57 ESPaDOnS – Résultats, observations de nuit
Objets pas très polarisés dans le continu Polarisation variable (guidage? nuages? Lune?) 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

58 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

59 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Titan 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

60 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Europe 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

61 ESPaDOnS – Résumé des résultats
ESPaDOnS peut être utilisé pour des observations au télescope ET pour des expériences en labo Expérience de jour: résultats encourageants pour la feuille verte Expérience de jour sur des bactéries Observations au télescope: plus difficile, résultats moins excitants pour le moment 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

62 La polarimétrie au service de l'astrobiologie
Conclusion lumière + organismes vivants polarisation circulaire 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie