mercredi 20 juillet 2016

Des molécules organiques complexes synthétisées par les rayons cosmiques



Des astrochimistes américains viennent de démontrer que la formation de molécules organiques complexes, qui sont liées aux molécules du vivant, peut être produite par l’effet du rayonnement cosmique dans des glaces du milieu interstellaire, à très basse température.




Les astrochimistes connaissent aujourd’hui environ 200 molécules détectées dans le milieu interstellaire et dans les environnements circumstellaires: de l’hydrogène jusqu'aux fullerènes... Mais les modèles chimiques développés (à partir de réactions en phase gazeuse) ne parviennent pas à reproduire la formation des molécules organiques les plus complexes parmi celles-ci, et qui représentent tout de même un tiers de toutes les molécules détectées. Les molécules organiques complexes, rappelons-le,  sont celles qui sont composées de plusieurs atomes de carbone, d’oxygène, d’hydrogène, et d’azote.
L’équipe de Matthew Abplanalp (laboratoire d’astrochimie de l’Université de Hawaï) et ses collaborateurs des universités de Virginie et de Californie ont créé des expériences en laboratoire ainsi que de des modélisations de réactions chimiques hors équilibre concernant des aldéhydes et des alcools, en descendant jusqu’aux températures qui sont rencontrées dans le milieu interstellaire (environ 10 K).

Alors que les rayons cosmiques (des protons, des électrons et des noyaux légers énergétiques) sont très dommageables sur Terre, car capables de détruire les molécules d’ADN, ils peuvent au contraire catalyser des réactions chimiques inédites dans le milieu interstellaire. Pour montrer ce processus, les  chercheurs américains ont simulé en laboratoire un nuage moléculaire froid du milieu interstellaire en plaçant dans une chambre à ultra-vide refroidie à quelques kelvins des grains de glace typiques, composée de monoxyde de carbone, de méthane et d’éthane. Ils ont mimé le rayonnement cosmique à l’aide d’un faisceau d’électrons de haute énergie, représentant les particules secondaires produites par l’impact du rayonnement cosmique galactique (protons et noyaux légers) sur une période équivalant à 1 million d’années, durée de vie estimée des grains de glace au sein des nuages moléculaires froids.

Après l’irradiation, ils ont analysé le contenu de leur chambre par des moyens de photoionisation, de spectrométrie de masse et de spectroscopie infra-rouge, et ont découvert la présence d’acétaldéhydes (CH3CHO) , de molécules d’alcool de vinyl (C2H3OH), ainsi que du propanal (C2H5CHO) et du propénol (CH3CHCH(OH)), toutes énergétiquement très défavorables et synthétisées via des réactions exotiques hors d’équilibre.
Cette étude va totalement à l’encontre du paradigme antérieur qui indiquait que des hautes températures devaient être nécessaires pour produire ce type de réactions chimiques où des radicaux libres doivent se recombiner. Ces réactions exotiques sont bel et bien possibles dans un milieu à très basse température, pourvu qu’un rayonnement ionisant soit présent.

Ces réactions chimiques apparaissent cruciales dans la chaîne de réactions qui mènent finalement à la formation de molécules précurseurs de celles qui font les systèmes vivants. Une fois ces molécules synthétisées au froid dans des grains de glace, ces derniers peuvent se sublimer dans les régions plus chaudes de formation d’étoiles, et les molécules organiques complexes produire ensuite de nouvelles réactions au sein des disques protostellaires ou protoplanétaires qui donneront finalement des planètes et des petits corps où elles se retrouveront. On peut rappeler par exemple que parmi les molécules organiques trouvées sur la comète Churyumov-Gerasimenko par Rosetta/Philae, il y avait de l’acétaldéhyde, de l’acétone, du propanal et du glycolaldéhyde.
Matthew Abplanalp et ses collègues ont pu comparer ce qu’ils ont réussi à synthétiser avec ce qui est observé dans un vrai nuage moléculaire froid, nommé Sagittarius B2. Ils y retrouvent toutes leurs molécules sauf une, le propénol, offrant pour la première fois une explication aux abondances d’acétaldéhydes et d’alcool de vinyl observées dans Sgr B2.

L’élucidation d’une voie de formation par le rayonnement cosmique des molécules-clé pour la formation des briques chimiques des systèmes vivants, comme le glycolaldéhyde (HCOCH2OH) par exemple, va permettre de creuser davantage les processus, jusque-là mal compris, qui semblent diriger la chimie organique interstellaire. Cela pourrait par la même occasion permettre de définir le niveau de complexité chimique qui pourrait apparaître à tel ou tel endroit dans la Galaxie... Une petite expérience qui se révèle finalement avoir de grandes conséquences.


Source : 

M. Abplanalp, et al.
A study of interstellar aldehydes and enols as tracers of a cosmic ray-driven nonequilibrium synthesis of complex organic molecules,
Proceedings of the National Academy of Sciences 113(28), (12 july 2016),


Illustrations :

1) les différentes molécules organiques complexes synthétisées sous irraditiation (PNAS.org/Abplanalp et al.)

2) Installation expérimentale utilisée pour cette expérience (Keck astrochemistry laboratory/M.Abplanalp)