Astrophysique et astrochimie

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1 Astrophysique et astrochimie
Michaël De Becker Masters en Sciences Chimiques et Sciences Géologiques Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

2 Plan du chapitre 3 3.1. Contenu moléculaire de la Galaxie
Composés inorganiques Hydrocarbures Composés organiques avec groupes fonctionnels 3.2. Questions scientifiques importantes La quête des acides aminés Le problème de l'homochiralité La filiation moléculaire

3 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Composés inorganiques: CO

4 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Composés inorganiques: CN/HCN

5 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Composés inorganiques: l'eau

6 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

7 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Hydrocarbures: formation du méthane…

8 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 m

9 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
PAHs: un constituant du milieu interstellaire Observations IR : bandes d’émission à 3.29, 6.2, 8.7, et 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…

10 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers

11 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
PAHs: structure des PAHs 2 grandes classes de PAHs Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles Péricondensés: C appartenant à 3 cycles

12 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
PAHs: structure des PAHs 2 grandes classes de PAHs Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles Péricondensés: C appartenant à 3 cycles acènes : linéaires phènes : coudés

13 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
PAHs: structure des PAHs 2 grandes classes de PAHs Catacondensés: C appartenant à maximum 2 cycles Péricondensés: C appartenant à 3 cycles

14 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
PAHs: chimie des PAHs : formation

15 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
PAHs: chimie des PAHs : formation

16 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
PAHs: chimie des PAHs : photochimie Absorption d’un photon UV  2 scénarios: relaxation radiative ou photodissociation

17 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

18 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
PAHs: chimie des PAHs : réactions bimoléculaires Réaction avec un électron: Réaction d’échange de charges: Réaction ion-molécule:

19 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
PAHs: chimie des PAHs : rôle catalytique Interactions PAH – molécule  similitude avec les processus en surface des grains de poussière!

20 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
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)

21 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

22 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

23 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Composés organiques: formation du formaldéhyde…

24 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Autres composés organiques: carbohydrates Carbohydrates en biochimie: ribose et désoxyribose Carbohydrates dans le milieu interstellaire? Oui, le glycolaldehyde

25 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Autres composés organiques: hétérocycles Hydrocarbures cycliques, incluant un hétéroatome (N, O,…) Hétérocycles en biochimie: bases azotées… Purines: A, G Pyrimidine: T, U, C

26 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Autres composés organiques: hétérocycles Hydrocarbures cycliques, incluant un hétéroatome (N, O,…) Hétérocycles en biochimie: bases azotées… Purines: A, G Pyrimidine: T, U, C

27 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

28 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...

29 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...

30 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...

31 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Autres composés organiques: hétérocycles Hétérocycles dans le milieu interstellaire: Petites molécules cycliques (à confirmer…) Hétérocycles dans les météorites: De nombreuses détections, y compris de molécules proches de la pyrimidine!!

32 Chapitre 3: Molécules dans l'Univers
Chronologie de quelques découvertes Voir site web:

33 1940 1950 1960 1970 1937 CH Radical méthylidyne

34 1940 1950 1960 1970 1937 CH 1941 CH+ 1940 CN

35 1940 1950 1960 1970 1937 CH 1941 CH+ 1963 OH 1969 H2O H2CO 1940 CN 1968 NH3

36 CO CH3OH CH3CHO CH2NH H2CS CH3OCH3 CH3NH2 CH3CH2OH HCOOCH3 SO2 NH2CN
1970 1980 1990 2000 1970 CO CH3OH 1973 CH3CHO CH2NH H2CS 1974 CH3OCH3 CH3NH2 1975 CH3CH2OH HCOOCH3 SO2 NH2CN 1971 HCN HCOOH SiO CH3CN NH2CHO 1972 H2S

37 C2H2 HC5N HC7N HC9N C4H NO CH3SH OCN- CH3CH2CN H2CCO 1970 1980 1990
2000 1976 C2H2 HC5N 1978 HC7N HC9N C4H NO 1979 CH3SH OCN- 1977 CH3CH2CN H2CCO

38 C2H4 (CH3)2CO NaCl CO2 SiH4 HCl 1970 1980 1990 2000 1981 1987 1989
1984 SiH4 1985 HCl

39 1970 1980 1990 2000 1991 CH4 2000 CH2OHCHO 1997 CH3COOH HC11N

40 NH2CH2CN C6H6 N2 CH3CONH2 HOCH2CH2OH 2000 2005 2010 2015 2008 2001
2004 N2 2006 CH3CONH2 2002 HOCH2CH2OH

41 NH2CH2CN C6H6 N2 CH3CONH2 H2O HOCH2CH2OH 2000 2005 2010 2015 2008 2001
2004 N2 2006 CH3CONH2 H2O 2002 HOCH2CH2OH

42 C60 C70 H2O2 O2 CH3CHNH HNCHCN HNCNH 2000 2005 2010 2015 2010 2011
2013 CH3CHNH HNCHCN 2012 HNCNH