Technique CRESU : déjà 30 ans au service de l'astrophysique de laboratoire

Reproduire les conditions de l'espace interstellaire en laboratoire pour étudier les réactions chimiques qui se déroulent entre les étoiles... c'était un défi hors d'atteinte des scientifiques jusqu'au développement de la navette spatiale. Retour sur 30 ans d'histoire de la technique CRESU, inventée en France, et qui fait aujourd'hui de l'Institut de physique de Rennes un leader mondial dans le domaine de la cinétique chimique en phase gazeuse à très basse température. Présentation par André Canosa, directeur de recherche CNRS à l'IPR.

Les 30 ans de la technique CRESU
  1. De la chimie entre les étoiles : naissance de l'astrochimie
  2. Un défi technique
  3. Des expériences de rentrée atmosphérique à la technique CRESU
  4. Un article de revue pour en savoir plus

De la chimie entre les étoiles : naissance de l'astrochimie

Le développement de la radioastronomie millimétrique dans le milieu des années soixante a été décisif pour l'étude de la chimie de l'espace interstellaire : il a permis la détection d'un nombre toujours croissant de molécules dans des conditions physiques particulièrement exotiques.

L'espace situé entre les étoiles d'une galaxie n'est en effet pas vide, il abonde bien au contraire de rassemblements de matière gazeuse ou poussiéreuse. On les nomme « nuages interstellaires », par analogie avec les nuages présents dans l'atmosphère terrestre. La similitude s'arrête néanmoins à l'apparence visuelle. Principalement constitués d'hydrogène et d'hélium, ils contiennent également à l'état de trace des dizaines de molécules que la radioastronomie a permis de révéler.

C'est dans les environnements les plus « denses », (et donc communément appelés nuages denses, ou moléculaires ou encore sombres), que la richesse et la complexité moléculaire sont apparues comme les plus importantes. Cette notion de densité est cependant toute relative car en réalité il s'agit d'environnements extrêmement ténus (10 – 104 atomes/cm3) qui par ailleurs s'avèrent extraordinairement froids par rapport aux standards de notre existence terrestre. On parle ici de températures approchant le zéro absolu, typiquement -200°C à -260°C.

Comment donc dans des conditions aussi extrêmes, où l'intuition conduirait à penser que tout est gelé, des molécules telles que l'eau, l'ammoniac, le méthane, l'éthanol et bien d'autres, ont pu se former et sont observables à l'état de gaz ? Cette question constitue à vrai dire le socle sur lequel s'est fondée une nouvelle discipline au milieu des années 70 : l’astrochimie.

Un défi technique

Très vite les astrophysiciens qui se sont intéressés à cette problématique ont développé des modèles numériques simulant des dizaines, puis des centaines et de nos jours des milliers de réactions chimiques pour essayer de comprendre les mécanismes susceptibles d'intervenir dans la formation des molécules observées. Le challenge s'avérait particulièrement audacieux d'autant plus qu'il était nécessaire de connaître l'efficacité de chaque processus dans les conditions de température régnant dans ces nuages moléculaires.  Au milieu des années 70, très peu d'expériences de laboratoire étaient disponibles pour effectuer de telles études de réactivité chimique à ultra-basse température. Cela était principalement dû à un problème pratique : la condensation des molécules sur les parois de l'appareillage dès que la température s'abaisse trop, à l'image de la condensation de la vapeur d'eau sur les parois d'un frigo resté ouvert.

Les pionniers de l'astrochimie en étaient donc réduits à estimer la réactivité de chaque processus sur la base de données disponibles à plus hautes températures. En particulier, leurs sources étaient constituées de travaux s’intéressant à la chimie de l'atmosphère terrestre. Il pouvaient également effectuer des calculs simples de collisions réactives afin de pouvoir introduire les données numériques indispensables aux modèles de chimie interstellaire.

Des expériences de rentrée atmosphérique à la technique CRESU

En parallèle, dans les années 70, l'aéronautique développe l'ambitieux projet de navette spatiale, comme alternative réutilisable aux lanceurs conventionnels. Le problème de la rentrée dans l'atmosphère lors du retour sur Terre s'avère un sujet crucial qui nécessite de nombreuses études, en particulier dans le domaine de l'aérodynamique et de la tenue des matériaux à l'échauffement.

Les grandes souffleries à gaz raréfié sont alors utilisées pour simuler ces rentrées atmosphériques. En pratique, il s’agit d’écoulements supersoniques uniformes générés par détente à travers une tuyère de Laval et propulsés sur des maquettes fixes.

Au début des années 80, au laboratoire d'aérothermique de Meudon en région parisienne, Bertrand Rowe comprend que ces écoulements supersoniques constituent des réacteurs chimiques idéaux pour l'étude de processus réactifs à très basse température : l'écoulement est dépourvu de paroi et la détente de celui-ci se traduit par un refroidissement qui peut atteindre les températures pertinentes pour l'astrochimie. La technique CRESU (Cinétique de Réaction en Ecoulement Supersonique Uniforme) est née !

Installée à l'Université de Rennes 1 au début des années 90, elle fera de la physique rennaise le leader mondial dans le domaine de la cinétique chimique en phase gazeuse à très basse température.

Un article de revue pour en savoir plus

Un article (en anglais) paru dans la prestigieuse revue Angewandte Chemie en juin 2017 parcourt les 30 ans de recherche au cours desquels la technique CRESU s'est développée, améliorée et propagée dans de nombreux pays européens ainsi qu'aux Etats Unis. Il expose comment cette technique a pu fournir des données de première importance pour la modélisation de la chimie interstellaire.

Après avoir rappelé le contexte astrophysique, les auteurs présentent les principes fondamentaux de la méthode et les différentes étapes qui en ont fait une technique extrêmement polyvalente. Les principaux résultats marquant sont brièvement décrits ainsi que leurs implications tant pour l'astrophysique que pour les théories de collisions moléculaires. De nombreux challenges scientifiques demeurent néanmoins et les auteurs décrivent quelques pistes qui pourraient être explorées dans le futur à l'aide de la méthode.