Ian Sims, chimiste de l’Espace

Reproduire en laboratoire les réactions chimiques qui ont lieu dans l'espace interstellaire, et analyser leurs produits : c'est la spécialité de Ian Sims, expert en astrophysique de laboratoire à l’Institut de physique de Rennes. Le chercheur britannique, installé en France depuis 2003, a reçu 2,1 millions d'euros de l'ERC sur 5 ans pour construire une machine capable d'approfondir nos connaissances de cet environnement très hostile, dont les expériences montrent pourtant qu'il n'a rien d'un désert inerte.

Ian Sim - chimiste de l'Espace
  1. Affectation des fonds ERC
  2. Le « chirped pulse » : l’innovation au cœur du projet

On ne sait pas (encore) arpenter l’espace interstellaire. Or, nos télescopes nous permettent déjà des observations assez fines des nuages de gaz et de particules présents entre les étoiles. Mais pour comprendre leur chimie, impossible de partir y analyser des prélèvements.

« L’espace interstellaire est extrêmement froid. La matière y est très rare, et soumise à un rayonnement intense provenant des étoiles. Ce rayonnement a tendance à casser toute molécule un peu complexe qui pourrait se former, lorsque d’aventure des atomes viennent à se rencontrer et à réagir entre eux », explique Ian Sims.

Et pourtant, même dans ce milieu très hostile, des réactions chimiques se déroulent, qui nous sont forcément mal connues. Pour les étudier, la première étape consiste à reproduire les conditions où elles ont lieu, à commencer par la très basse température.



Dans les caissons mis au point à l’Institut de physique de Rennes, du gaz sous pression est injecté à l’aide d’une tuyère de Laval. Le gaz se détend en quelques microsecondes, abaissant la température, et à la sortie de la tuyère (analogue à celle d’un moteur de fusée) se crée un écoulement supersonique où règne une température de -260°C environ. Pour stabiliser l’écoulement, il est dirigé en sortie vers d’énormes pompes qui aspirent le gaz aussi vite qu’il est entré dans le caisson. Se forme alors un véritable tube d’écoulement sans paroi, à l’intérieur du caisson.

Une fois cet écoulement supersonique stable obtenu, on y introduit des petites molécules de nature différente. Celles-ci réagissent chimiquement entre elles et l’on étudie les molécules produites à leur tour par ces réactions.

« L’un des défis consiste à pouvoir analyser en même temps les différents produits de réaction, notamment pour pouvoir déterminer leur proportion », souligne Ian Sims.


Cette proportion constitue en effet une donnée cruciale pour les astrophysiciens qui essaient de prévoir le comportement des nuages interstellaires, à partir desquels se forment les étoiles : les molécules étudiées par Ian Sims sont indispensables à la genèse stellaire. Elles permettent au nuage protostellaire en effondrement d’évacuer sa chaleur sous forme de rayonnement.

Affectation des fonds ERC

Le projet CRESUCHIRP porté par Ian Sims a remporté un financement de 2,1 millions d’euros de l’ERC sur 5 ans, précisément pour réaliser un dispositif expérimental capable de déterminer cette proportion de produits de réaction.

Outre la machine, dont le coût de construction est estimé à 700 000 euros, le financement ERC permet de dégager temporairement Ian Sims d'une partie de ses obligations d’enseignement, et de recruter des doctorants et des postdoctorants sur le sujet.

« Le dossier a certainement été retenu sur la base de nos résultats antérieurs et de nos collaborations internationales. Mais la capacité du pôle mécanique de l’université à réaliser une partie des pièces uniques qui composeront cette machine a également joué », se félicite Ian Sims.

Le « chirped pulse » : l’innovation au cœur du projet

Pour détecter les molécules produites par les réactions chimiques dans le caisson, il faut les soumettre à une impulsion (« pulse ») d’une fréquence très précise. Si la fréquence est parfaitement ajustée à la molécule, celle-ci résonne, et c’est cette résonance qui est détectable. L’une des limitations de cette technique est qu’elle ne permet la détection que d’une molécule, et donc d’un seul produit de réaction à la fois : ceux-ci ont une durée de vie très courte.

Ian Sims va donc utiliser la technique du chirped pulse, qui balaie en quelques centaines de nanosecondes une large gamme de fréquences de manière continue. Toutes les molécules sensible à l’une ou l’autre des fréquences couvertes par ce balayage résonnent alors, ce qui permet une détection quasi simultanée, compatible avec la durée de vie très brève des produits de réaction.

À l’issue du projet, c’est donc un dispositif tout à fait unique au monde qui sera à l’œuvre dans les locaux de l’Institut de physique de Rennes.

« Une fois achevée, cette machine nous permettra de contraindre les modèles des astrophysiciens, et ainsi d’en savoir plus sur ce qui se passe entre les étoiles, dans les nuages de gaz et de poussières interstellaires, ou dans les atmosphères d’autres planètes », indique Ian Sims.