Le projet de recherche The Stellar Factory associe des experts de l’Observatoire de la Côte d’Azur en Astrophysique et des MINES-ParisTech en Sciences des matériaux. Il consiste à utiliser la torche à plasma du banc PERSEE pour simuler le processus de condensation stellaire impliquée dans l’évolution des nuages de poussières et de gaz. La compréhension de ce processus est essentielle pour comprendre comment les étoiles et les systèmes planétaires se forment. Au-delà d’améliorer notre compréhension sur notre système solaire, ces recherches visent également à mettre en lumière de nouveau matériau au profit du monde industriel.
Le milieu interstellaire est l’espace entre les étoiles. Il n’est pas vide mais remplit principalement de gaz (99%), composé d’hydrogène et d’hélium et de poussière (1%), composée des petites particules solides, dont les plus grosses peuvent atteindre une taille de l’ordre du micromètres. Les poussières sont essentiellement constituées de silicium et de carbone. Ces deux constituants du milieu interstellaire sont intimés liés, notamment, par des processus physicochimiques ainsi que par des transferts d’énergie, dû à des collisions et au rayonnement.
Ces deux ingrédients forment des nuages moléculaires et seraient une nurserie pour les étoiles. En effet, selon la théorie actuellement admise, les étoiles naissent à l’intérieur de ces nuages de gaz et de poussière, appelé les nébuleuses. Plus précisément, les amas d’étoiles sont formés par la condensation de nuages moléculaires constitués de gaz froid et dense présents la galaxie. De tailles gigantesques, ces nébuleuses ont une centaine d’années-lumière de diamètre, sont très raréfiés, et sous l’effet de la gravité, leur matière se condense.
Même si la poussière interstellaire ne représente qu’une infime partie de la matière interstellaire, environ 1 % de sa masse, son influence n’en demeure pas moins notable sur l'environnement de la Galaxie et son évolution.
Que ce soit dans notre galaxie, la Voie Lactée, ou dans les autres galaxies, tous les environnements proches des jeunes étoiles, à savoir les nuages moléculaires, les enveloppes et disques circumstellaires ou protoplanétaires, contiennent de la poussière interstellaire.
Ce matériau est constitué de nano-grains joue un rôle déterminant dans le cycle d’évolution des galaxies. Par exemple, dans le processus de formation des étoiles mais aussi dans la chimie interstellaire par son rôle catalytique dans la formation de molécule.
Au cours de leur vie, les poussières interstellaires subissent différents processus qui vont affecter leur taille, leur abondance, et leurs propriétés optiques.
Les processus de condensation à l'origine des principales différences chimiques entre le gaz et les solides sont des mécanismes majeurs qui contrôlent le cycle de la poussière dans la galaxie. Cependant, ils sont encore mal compris aujourd'hui.
Dans ce contexte, une équipe d’experts de l’Observatoire de la Côte d’Azur en Astrophysique et des MINES-ParisTech en Sciences des matériaux s’est constituée en vue de réaliser des expériences.
Le vaste espace qui s'étend entre les étoiles est rempli d'un gaz poussiéreux appelé le milieu interstellaire (ou MIS). Les conditions de ce milieu sont très hostiles, de par les températures et densités très faibles ainsi que les flux ultraviolets destructeurs.
Cependant, une chimie étonnamment riche s’y est développée, par exemple, avec la formation d'eau et de molécules organiques ou azotées parfois "complexes" et dont certaines constituent des briques de base du vivant.
Le milieu interstellaire est à la fois riche et aussi très hétérogène. Il recouvre toute une variété de régions où la densité, la température ainsi que les modes d’excitation sont très différentes : des nuages diffus peu denses et chauds jusqu’à des nuages denses et froids au sein desquels des condensations vont se former qui pourront conduire à la formation de nouvelles étoiles.
Les nuages moléculaires sont constitués de gaz dense et froid composé d’hydrogène et d’hélium et de poussière composée de silicium et de carbone qui tourbillonnent à des vitesses supersoniques, provoquant des fluctuations de densité qui se condensent et peuvent former les étoiles.
Au vu de ces éléments, le projet The Stellar Factory propose d’étudier la condensation des gaz réfractaires, multi-élémentaires à haute température et basse pression, afin de simuler des processus de condensation à l'œuvre dans des environnements proches des jeunes étoiles nommés protostellaires et circumstellaires.
Ces expériences de condensation, en laboratoire, sont effectuées dans l’optique de générer des des informations sur la cristallinité, la texture ou la composition chimique de la matière qui se condense à partir d'un gaz solaire/stellaire.
Pour produire des gaz réfractaires chauds de type stellaire, l'équipe prévoit d'utiliser la torche à plasma hébergée sur le site sophipolitain des MINES-ParisTech (laboratoire PERSEE).
Cette plateforme de pointe offre à l’équipe une large gamme de conditions physiques pour produire des réactions chimiques spécifiques, telles que la condensation des matériaux correspondantes aux conditions déduites pour les environnements protostellaires et circumstellaires. Elle permet également un contrôle précis de la température, et de la composition gaz/charge.
La première étape consiste à traiter des mélanges de gaz et/ou des mélanges de gaz et poussière dans la torche à plasma. La plupart des expériences seront réalisées en utilisant du verre comme poudre de départ. Avant d’être intégrée dans la chambre à arc avec un mélange gazeux adéquat (H2, He, Ar, CO2, ...), la poudre sera, au préalable, ramollie avec une huile de fluxage dans le but d'assurer une remontée en consistance du produit par évaporation.
Une fois, les vapeurs complexes recréées et semblables à celles émises par le gaz solaire, un gaz de synthèse est obtenu permettant de disposer de grandes quantités de condensats (liquide obtenu par condensation de sa propre vapeur).
Après élaboration des condensats, à l'aide de la torche à plasma d'arc, l’équipe projette de procéder à leur caractérisation. Les condensats obtenus devraient être très fins, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns.
La morphologie et la taille des particules seront évaluées à l'aide du microscope MEB FEG disponible au CEMEF (MINES ParisTech, Sophia Antipolis). Ce microscope est capable de réaliser des analyses chimiques avec une résolution spatiale limitée (de l'ordre du micromètre) mais de meilleure résolution que les microscopes optiques traditionnels.
D'autres analyses chimiques et structurales seront effectuées à l'aide d'un TEM dans le cadre de la plate-forme ACT-M. Le microscope électronique à transmission (TEM) permet d’obtenir une image agrandie d’échantillons très minces et d’en analyser la composition. La plateforme ACT-M également équipée d'un microscope électronique à balayage à double faisceau (FEG-FIB-SEM), permettra d’effectuer la caractérisation des microstructures en 3D des condensats en vue d’approfondir les investigations morphologiques.
Les condensats bruts (liquide obtenu par condensation de sa propre vapeur) seront également soumis à une exposition à haute température en utilisant un four de traitement thermique disponible au CEMEF.
Ce four est capable de chauffer jusqu'à 1400°C sous différentes atmosphères, du vide secondaire au gaz inerte à pression variable. Les condensats frittés (brûlés) seront ensuite caractérisés à nouveau en utilisant les mêmes techniques de microscopie électronique pour évaluer les changements de microstructure. L’étude de la structure cristallographique, de la composition chimique, de la morphologie et la porosité sera inclue.
L'objectif global de ces processus d'élaboration de condensats et de frittage (combustion) est d'imiter les mécanismes par lesquels les matériaux chondritiques (météorites) se forment à la suite de la condensation partielle ou totale d'un gaz de composition solaire.
En effet, les régions chaudes (> 500K) et les plus internes (~ 0.1 -1 AU) des disques protoplanétaires sont le site de processus de condensation-évaporation qui produisent une minéralogie complexe de solides cristallins (condensats).
Avec ces expériences en laboratoire, le projet The Stellar Factory vise à produire de grandes quantités de chondrites synthétiques.
Ces matériaux synthétiques pourraient alors servir de modèles pour mieux comprendre le comportement des chondrites naturelles et les divergences entre les matériaux recrées et ceux naturels. La production de matériaux analogues à ceux des météorites primitives, serait ainsi un moyen de collecter des indications sur l'origine et le comportement des matériaux réels.
Ainsi, toutes ces caractérisations et leur réduction thermodynamique nous donneront un aperçu du processus de condensation d'un gaz réfractaire multi-élémentaire dans des conditions astrophysiques, et notamment des effets de la cinétique. Par ailleurs, les résultats recueillis suites aux études poussées fourniront aussi une banque unique de référence sur les condensats stellaires, utile pour les observations astronomiques des disques protoplanétaires.
Il est à noter que la mise en place d’une telle banque serait une première. A ce jour, aucunes données sur des échantillons de référence de condensats stellaires n’a été créée.
Cette recherche partenariale transdisciplinaire laisse présager de nouvelles contributions originales qui concourront à la visibilité de l’établissement et à la structuration de la recherche locale dans le domaine de l’étude de la condensation des matériaux péri-stellaires.
Elle permet également d’élargir le dessein de ces recherches. S’il s’agit de compléter la connaissance de la communauté de l’Astrophysique, il est aussi question de découvrir par ce biais de nouveaux matériaux pour l’industrie (nanocarbones, silicates, etc.).
A cet effet, le projet The Stellar Factory est intégré dans un autre projet nommé FLEXTOR, dont l'objectif est de regrouper un pool multidisciplinaire composé d'ingénieurs et d'experts académiques.
Ce groupe de travail à la croisée des compétences et disciplines issu des Mines Paris Tech, du laboratoire Lagrange, et de Geoazur s’est associé à la start-up PLENESYS (https://plenesys.com/fr/) dans le but de mettre en place une nouvelle technologie plasma.
Dans le cadre de ce partenariat, l’étude du comportement de divers matériaux organiques ou inorganiques, terrestres ou extraterrestres dans des conditions de températures extrêmes est prévue. Sur une approche historiquement similaire c’est par l’astrophysique que furent découverts les fullerènes et nanocarbones !
A noter que le projet The Stellar Factory et FLEXTOR font partie d’un programme structurant d’UCAJEDI, appelé «Matière, lumière et interactions».
Au commencement, un nuage moléculaire de gaz et de poussière
Le milieu interstellaire est l’espace entre les étoiles. Il n’est pas vide mais remplit principalement de gaz (99%), composé d’hydrogène et d’hélium et de poussière (1%), composée des petites particules solides, dont les plus grosses peuvent atteindre une taille de l’ordre du micromètres. Les poussières sont essentiellement constituées de silicium et de carbone. Ces deux constituants du milieu interstellaire sont intimés liés, notamment, par des processus physicochimiques ainsi que par des transferts d’énergie, dû à des collisions et au rayonnement.Ces deux ingrédients forment des nuages moléculaires et seraient une nurserie pour les étoiles. En effet, selon la théorie actuellement admise, les étoiles naissent à l’intérieur de ces nuages de gaz et de poussière, appelé les nébuleuses. Plus précisément, les amas d’étoiles sont formés par la condensation de nuages moléculaires constitués de gaz froid et dense présents la galaxie. De tailles gigantesques, ces nébuleuses ont une centaine d’années-lumière de diamètre, sont très raréfiés, et sous l’effet de la gravité, leur matière se condense.
Des minuscules grains solides à l’influence notable
Même si la poussière interstellaire ne représente qu’une infime partie de la matière interstellaire, environ 1 % de sa masse, son influence n’en demeure pas moins notable sur l'environnement de la Galaxie et son évolution.Que ce soit dans notre galaxie, la Voie Lactée, ou dans les autres galaxies, tous les environnements proches des jeunes étoiles, à savoir les nuages moléculaires, les enveloppes et disques circumstellaires ou protoplanétaires, contiennent de la poussière interstellaire.
Ce matériau est constitué de nano-grains joue un rôle déterminant dans le cycle d’évolution des galaxies. Par exemple, dans le processus de formation des étoiles mais aussi dans la chimie interstellaire par son rôle catalytique dans la formation de molécule.
Au cours de leur vie, les poussières interstellaires subissent différents processus qui vont affecter leur taille, leur abondance, et leurs propriétés optiques.
Les processus de condensation à l'origine des principales différences chimiques entre le gaz et les solides sont des mécanismes majeurs qui contrôlent le cycle de la poussière dans la galaxie. Cependant, ils sont encore mal compris aujourd'hui.
Dans ce contexte, une équipe d’experts de l’Observatoire de la Côte d’Azur en Astrophysique et des MINES-ParisTech en Sciences des matériaux s’est constituée en vue de réaliser des expériences.
La science des matériaux au service de l’Espace
Le vaste espace qui s'étend entre les étoiles est rempli d'un gaz poussiéreux appelé le milieu interstellaire (ou MIS). Les conditions de ce milieu sont très hostiles, de par les températures et densités très faibles ainsi que les flux ultraviolets destructeurs.Cependant, une chimie étonnamment riche s’y est développée, par exemple, avec la formation d'eau et de molécules organiques ou azotées parfois "complexes" et dont certaines constituent des briques de base du vivant.
Le milieu interstellaire est à la fois riche et aussi très hétérogène. Il recouvre toute une variété de régions où la densité, la température ainsi que les modes d’excitation sont très différentes : des nuages diffus peu denses et chauds jusqu’à des nuages denses et froids au sein desquels des condensations vont se former qui pourront conduire à la formation de nouvelles étoiles.
Les nuages moléculaires sont constitués de gaz dense et froid composé d’hydrogène et d’hélium et de poussière composée de silicium et de carbone qui tourbillonnent à des vitesses supersoniques, provoquant des fluctuations de densité qui se condensent et peuvent former les étoiles.
Au vu de ces éléments, le projet The Stellar Factory propose d’étudier la condensation des gaz réfractaires, multi-élémentaires à haute température et basse pression, afin de simuler des processus de condensation à l'œuvre dans des environnements proches des jeunes étoiles nommés protostellaires et circumstellaires.
Ces expériences de condensation, en laboratoire, sont effectuées dans l’optique de générer des des informations sur la cristallinité, la texture ou la composition chimique de la matière qui se condense à partir d'un gaz solaire/stellaire.
Pour produire des gaz réfractaires chauds de type stellaire, l'équipe prévoit d'utiliser la torche à plasma hébergée sur le site sophipolitain des MINES-ParisTech (laboratoire PERSEE).
Cette plateforme de pointe offre à l’équipe une large gamme de conditions physiques pour produire des réactions chimiques spécifiques, telles que la condensation des matériaux correspondantes aux conditions déduites pour les environnements protostellaires et circumstellaires. Elle permet également un contrôle précis de la température, et de la composition gaz/charge.
La première étape consiste à traiter des mélanges de gaz et/ou des mélanges de gaz et poussière dans la torche à plasma. La plupart des expériences seront réalisées en utilisant du verre comme poudre de départ. Avant d’être intégrée dans la chambre à arc avec un mélange gazeux adéquat (H2, He, Ar, CO2, ...), la poudre sera, au préalable, ramollie avec une huile de fluxage dans le but d'assurer une remontée en consistance du produit par évaporation.
Une fois, les vapeurs complexes recréées et semblables à celles émises par le gaz solaire, un gaz de synthèse est obtenu permettant de disposer de grandes quantités de condensats (liquide obtenu par condensation de sa propre vapeur).
Après élaboration des condensats, à l'aide de la torche à plasma d'arc, l’équipe projette de procéder à leur caractérisation. Les condensats obtenus devraient être très fins, de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres à quelques microns.
La morphologie et la taille des particules seront évaluées à l'aide du microscope MEB FEG disponible au CEMEF (MINES ParisTech, Sophia Antipolis). Ce microscope est capable de réaliser des analyses chimiques avec une résolution spatiale limitée (de l'ordre du micromètre) mais de meilleure résolution que les microscopes optiques traditionnels.
D'autres analyses chimiques et structurales seront effectuées à l'aide d'un TEM dans le cadre de la plate-forme ACT-M. Le microscope électronique à transmission (TEM) permet d’obtenir une image agrandie d’échantillons très minces et d’en analyser la composition. La plateforme ACT-M également équipée d'un microscope électronique à balayage à double faisceau (FEG-FIB-SEM), permettra d’effectuer la caractérisation des microstructures en 3D des condensats en vue d’approfondir les investigations morphologiques.
Les condensats bruts (liquide obtenu par condensation de sa propre vapeur) seront également soumis à une exposition à haute température en utilisant un four de traitement thermique disponible au CEMEF.
Ce four est capable de chauffer jusqu'à 1400°C sous différentes atmosphères, du vide secondaire au gaz inerte à pression variable. Les condensats frittés (brûlés) seront ensuite caractérisés à nouveau en utilisant les mêmes techniques de microscopie électronique pour évaluer les changements de microstructure. L’étude de la structure cristallographique, de la composition chimique, de la morphologie et la porosité sera inclue.
L'objectif global de ces processus d'élaboration de condensats et de frittage (combustion) est d'imiter les mécanismes par lesquels les matériaux chondritiques (météorites) se forment à la suite de la condensation partielle ou totale d'un gaz de composition solaire.
En effet, les régions chaudes (> 500K) et les plus internes (~ 0.1 -1 AU) des disques protoplanétaires sont le site de processus de condensation-évaporation qui produisent une minéralogie complexe de solides cristallins (condensats).
Avec ces expériences en laboratoire, le projet The Stellar Factory vise à produire de grandes quantités de chondrites synthétiques.
Ces matériaux synthétiques pourraient alors servir de modèles pour mieux comprendre le comportement des chondrites naturelles et les divergences entre les matériaux recrées et ceux naturels. La production de matériaux analogues à ceux des météorites primitives, serait ainsi un moyen de collecter des indications sur l'origine et le comportement des matériaux réels.
Ainsi, toutes ces caractérisations et leur réduction thermodynamique nous donneront un aperçu du processus de condensation d'un gaz réfractaire multi-élémentaire dans des conditions astrophysiques, et notamment des effets de la cinétique. Par ailleurs, les résultats recueillis suites aux études poussées fourniront aussi une banque unique de référence sur les condensats stellaires, utile pour les observations astronomiques des disques protoplanétaires.
Il est à noter que la mise en place d’une telle banque serait une première. A ce jour, aucunes données sur des échantillons de référence de condensats stellaires n’a été créée.
Un projet novateur menant à des matériaux pour l’industrie
Le projet The Stellar Factory réunit de multiples disciplines : l’astrophysique et la planétologie, la physique des plasmas (thermiques et non thermiques) et la science des matériaux (minéralogie). Il repose sur l’expertise de l’Observatoire de la Côte d’Azur et MINES-ParisTech, membre partenaire d’Université Côte d’Azur.Cette recherche partenariale transdisciplinaire laisse présager de nouvelles contributions originales qui concourront à la visibilité de l’établissement et à la structuration de la recherche locale dans le domaine de l’étude de la condensation des matériaux péri-stellaires.
Elle permet également d’élargir le dessein de ces recherches. S’il s’agit de compléter la connaissance de la communauté de l’Astrophysique, il est aussi question de découvrir par ce biais de nouveaux matériaux pour l’industrie (nanocarbones, silicates, etc.).
A cet effet, le projet The Stellar Factory est intégré dans un autre projet nommé FLEXTOR, dont l'objectif est de regrouper un pool multidisciplinaire composé d'ingénieurs et d'experts académiques.
Ce groupe de travail à la croisée des compétences et disciplines issu des Mines Paris Tech, du laboratoire Lagrange, et de Geoazur s’est associé à la start-up PLENESYS (https://plenesys.com/fr/) dans le but de mettre en place une nouvelle technologie plasma.
Dans le cadre de ce partenariat, l’étude du comportement de divers matériaux organiques ou inorganiques, terrestres ou extraterrestres dans des conditions de températures extrêmes est prévue. Sur une approche historiquement similaire c’est par l’astrophysique que furent découverts les fullerènes et nanocarbones !
A noter que le projet The Stellar Factory et FLEXTOR font partie d’un programme structurant d’UCAJEDI, appelé «Matière, lumière et interactions».
| L’Académie Systèmes Complexes soutient ce projet de recherche expérimental en lui octroyant un financement de 40k€ en vue de couvrir des dépenses pour la mise à niveau des torches actuelles en « conditions stellaires », l'achat de consommables pour des expériences ainsi que pour couvrir des frais de missions. |