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Etude des hydrocarbures en émission et absorption dasn les exoplanètes à haute température – e-PYTHEAS

e-PYTHEAS

Etude des hydrocarbures en émission et absorption dans les exoplanètes à haute température

Enjeux et objectifs

L’analyse des spectres chauds des naines brunes, exoplanètes et AGB nécessite de nouveaux paramètres spectroscopiques pour en <br />déduire des informations essentielles sur leur chimie et dynamique atmosphériques. La vapeur d’eau et le méthane dominent <br />l’opacité infrarouge de ces objets, avec d’autres hydrocarbures (C2H2, C2H4 et isotopes). De nos jours, les données expérimentales <br />sur le méthane chaud sont limitées en fréquence et température et les listes de raies calculées à haute température manquent de <br />précision pour les absorbants polyatomiques.

Nous formons un consortium de 5 laboratoires français, internationalement reconnus
pour notre expertise sur les aspects théoriques, expérimentaux ou de modélisation. Nous proposons de produire des spectres
synthétiques validés par l’expérience dans la région 0.8-17µm pour 12CH4, 13CH4, CH3D, C2H2 et C2H4 jusqu’à 2500 K et de les
appliquer aux observations.

-Les comparaisons avec les données expérimentales à froid, à température ambiante et à haute température montrent que les listes théoriques de méthane à base ab initio créées pour la gamme 0-13400 cm-1 pour T jusqu'à
3000 K conviennent aux applications astrophysiques à haute résolution. Ces données sont librement distribuées via le système d'information TheoReTS (http://theorets.univ-reims.fr).
- Les résultats d'analyses efficaces globales pour les bandes froides et chaudes dans la région 0-3300 cm-1 sont librement distribuées à travers la base de données MeCaSDa:
vamdc.icb.cnrs.fr/PHP/methane.php).
- La CRDS couplée aux écoulements hypersoniques est une nouvelle technique prometteuse pour accéder aux structure d'états vibrationnels très excités en simplifiant leur structure rotationnelle.
- Des modélisations et des simulations ont été réalisées pour optimiser les futures et actuelles données obtenues au sol et spatiales (notamment avec ARIEL) par GSMA-Reims et LESIA

Nous allons poursuivre le travail vers des listes complètes selon les objectifs principaux

Nombreuses publications scientifiques et communications dans des colloques internationaux

Le projet e-PYTHEAS se situe à la frontière entre la physique moléculaire, la chimie théorique et l’astrophysique. Il vise à étendre notre connaissance vers les très hautes températures (HT) des propriétés radiatives des milieux gazeux pour analyser la grande masse de données relatives aux milliers d’exoplanètes et de systèmes exoplanétaires confirmés à ce jour. Notre approche multidisciplinaire – théorie validée par des expériences de laboratoire et injectée dans des modèles d’atmosphère de planètes géantes gazeuses – permettra à la communauté scientifique de réaliser des avancées importantes sur leur formation et leur évolution.
La plupart des exoplanètes sont chaudes et leurs spectres très complexes contiennent de nombreux motifs non identifiés. Les nombreuses observations à venir ne pourront donc être exploitables que si des données expérimentales et théoriques étendues aux HT sont disponibles pour leur analyse.
Notre consortium de cinq laboratoires français et de plusieurs partenaires se propose d’améliorer la spectroscopie infrarouge HT de plusieurs espèces moléculaires majeures détectées dans les exoplanètes. Notre stratégie consiste à produire des données expérimentales et théoriques qui seront ensuite appliquées aux observations.
L’apport de données IR de laboratoire du méthane, de l’acétylène, de l’éthylène et de l'éthane entre 500 et 2500 K améliorera les profils thermiques et donnera de précieuses informations sur les compositions gazeuses, les brouillards et leur variation temporelle. Les données actuellement disponibles souffrent des limitations suivantes :
- toutes les bases de données sont lacunaires en-deçà de 1.65 µm, région spectrale pourtant incontournable pour les observations ;
- les données spectroscopiques à HT ne peuvent pas être extrapolées à partir des bases de données atmosphériques telles que HITRAN et GEISA. Ces extrapolations ne peuvent ni reproduire les transitions rovibrationnelles à J élevé, ni les bandes chaudes, et sont ainsi dans l’incapacité de rendre compte de l'opacité à des températures élevées ;
- les modèles moléculaires précis manquent pour générer des listes de raies complètes à HT pour les hydrocarbures polyatomiques qui dominent le spectre des naines brunes, des exoplanètes et des étoiles AGB et jouent un rôle de premier plan dans les processus chimiques et physiques de leurs atmosphères. Sur la base de calculs théoriques au niveau de l’art, des listes de raies extensives (position, intensité, profil) seront construites et validées par des expériences de laboratoire: (i) spectroscopie d’émission à équilibre thermique à T>500 K de 1.4 à 17 µm, (ii) Cavity Ring Down Spectroscopy (CRDS) hors équilibre en détente hypersonique de 1.5 à 1.7 µm, (iii) absorption directe et CRDS à haute sensibilité de 500 à 1000 K de 1.26 à 1.71 µm, (iv) absorption à température ambiante jusqu’à 0.8 µm pour atteindre directement les états vibrationnels excités.
La faisabilité de ce projet ambitieux repose sur un savoir-faire expérimental et théorique attesté par nos travaux antérieurs. Nos données expérimentales et nos prédictions ab initio pour le méthane, l’éthylène et leurs isotopologues à basse T sont actuellement les plus précises disponibles, et les premières versions de listes à T= 2000 K dans la région au-delà de 2 µm montrent un accord sans précédent avec les observations. A l’issue de ce projet, la communauté disposera de spectres expérimentaux et synthétiques dans la région spectrale 0.8-17 µm pour 12CH4, 13CH4, CH3D, C2H2, C2H4, et C2H6 jusqu'à 2500 K. Les listes de raies ainsi générées, incluant l’attribution rovibrationnelle complète, les coefficients d’élargissement (par H2) et les sections efficaces d’absorption, pourront être intégrées dans des codes de transfert radiatif.
Notre consortium collaboratif est un réseau international qui bénéficie de la mutualisation de données observationnelles, de ressources humaines, de codes de calcul et de moyens expérimentaux uniques.

Coordinateur du projet

Madame Athena Coustenis (Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LIPhy Laboratoire Interdisciplinaire de Physique
GSMA Groupe de Spectrometrie Moléculaire et Atmospherique
ULB Université Libre de Bruxelles - Service de Chimie Quantique et Photophysique
UCL University College London
ISMO Instittut des Sciences Moléculaires d'Orsay
UML University of Massachusetts Lowell
IPR Institut de Physique de Rennes
LESIA Laboratoire d'Etudes Spatiales et d'Instrumentation en Astrophysique
ICB CNRS / Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne

Aide de l'ANR 655 050 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2016 - 48 Mois

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