– GASOSPIN

Dans la nature existent des molécules ayant des atomes identiques mais pouvant présenter plusieurs variétés selon la valeur de leur spin nucléaire total : on parlera alors « d?isomère de spin ». L?exemple le plus connu est la molécule d?hydrogène H2 (dont chaque noyau a un spin ½) pouvant se présenter sous la variété ortho (spins parallèles d?où un spin total I égal à un) ou sous la variété para (spins antiparallèles : I=0). En astrophysique notamment, on observe dans le milieu interstellaire ou dans les comètes des isomères de spin de nombreuses molécules hydrogénées. En raison des propriétés de symétrie des fonctions d'onde totales et du principe d'indiscernabilité des particules identiques, chaque isomère de spin est en effet discernable par son spectre de rotation-vibration observable à l?aide des télescopes ou des satellites. A partir des intensités des raies relatives à chacun des isomères, on peut déduire le rapport de populations d?isomères de spin. Par exemple un rapport ortho : para de 3 : 1 est obtenu pour H2O ou H2CO à des température supérieure à 50 K environ et un rapport de 2 :1 pour H2O est trouvé à 20 K. En dessous de ce seuil, le rapport est inférieur et dépend très fortement de la température. Dans les milieux astrophysiques, les rapports sont souvent incompatibles avec la température cinétique du gaz dans lesquels les molécules sont observées. Considérant que la conversion du spin nucléaire a une très faible probabilité de se produire en milieu gazeux très dilué, les astrophysiciens supposent que ces ratios témoignent d?une situation antérieure, probablement liée à l?étape de formation des molécules, ou bien qu?ils manifestent l?interaction du gaz avec les poussières, susceptibles de modifier fondamentalement ce rapport. Nos connaissances actuelles du processus de conversion de spin nucléaire sont insuffisantes pour pouvoir étayer ces hypothèses. Dans le cadre de deux programmes de INSU-CNRS (« Planétologie » et « Physico-Chimie du Milieu Interstellaire ») les équipes LPMAA (Paris) et du PhLAM (Lille) ont entamé une collaboration dès 2005, pour aider à caractériser les échelles de temps typiques de conversion du spin nucléaire. L?équipe du PhLAM a montré qu?une molécule comme H2CO a effectivement très peu de chance de se modifier dans le milieu gazeux interstellaire. Parallèlement, les études en phase condensée menées au LPMAA, avec des matrices de gaz rare, prouvent que la conversion de l?eau est possible même à très basse température. Pour répondre aux questions soulevées en astrophysique, il est nécessaire de comprendre le comportement d?un isomère à l?interface gaz ? solide lors des phases de sublimation, d?adsorption et de désorption sur les glaces, les grains ou poussières interstellaires. Dans ce projet ANR, et avec le renfort d?un troisième partenaire (équipe du PIIM, Marseille), nous proposons d?apporter de nouvelles données expérimentales et théoriques, permettant de décrire quantitativement la conversion de spin nucléaire de plusieurs molécules hydrogénées d?intérêt astrophysique, dans des conditions physique variées. Notre programme de recherche vise à prendre notamment en compte les interactions et les échanges entre le gaz et la matière solide. Notre stratégie s?appuie sur le savoir faire précédemment acquis par les partenaires en matière de conversion de spin, ainsi que sur un ensemble de compétences expérimentales complémentaires maîtrisées par chaque partenaire et qui sera mis en ?uvre dans le cadre de collaborations. Une partie de notre effort de recherche sera également consacrée à la mise au point de méthodes d?enrichissement en isomère de spin ainsi qu?à la recherche de techniques expérimentales permettant d?étendre nos études à des domaines de pression et de température très intéressantes pour l?astrophysique.