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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

La polarimétrie au service de l'astrobiologie Extrémophiles Psychrophiles (froid), jusqu’à –10ºC Thermophiles (chaud), jusqu’à 113ºC Barophiles (pression), jusqu’à 800-1000 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

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

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

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

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

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

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 (2000-2500Å), 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 300 400 500 600 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

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

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

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

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

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

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

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

La polarimétrie au service de l'astrobiologie 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Feuille verte Signatures spectrales Red Edge 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

La polarimétrie au service de l'astrobiologie Bactéries 4 types de bactéries 30 mai 2005 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

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

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

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

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

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

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

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