Soutenance de thèse de Franciele KRUCZKIEWICZ

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ASTROPHYSIQUE ET COSMOLOGIE
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Astrochimie,Glaces interstellaires,Chimie de surface,Spectroscopie,
Keywords
Astrochemistry,Interstellar ices,Surface chemistry,Spetroscopy,
Titre de thèse
Contraintes de laboratoire sur les glaces interstellaires : désorption thermique et propriétés optiques dans l'infrarouge lointain
Laboratory constraints on interstellar ices : thermal desorption and far-infrared optical properties
Date
Lundi 22 Mai 2023 à 10:00
Adresse
Laboratoire d’Astrophysique de Marseille Pôle de l’Étoile Site de Château-Gombert 38, rue Frédéric Joliot-Curie 13388 Marseille FRANCE
Amphithéâtre du LAM
Jury
Directeur de these M. Patrice THEULE Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
Examinateur M. Sergio IOPPOLO Aarhus University
Rapporteur Mme Karine DEMYK IRAP - Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie
Rapporteur Mme Serena VITI Leiden Observatory
Président M. Philippe PARENT Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille

Résumé de la thèse

Le système solaire est né de la condensation de gaz et de solides à partir d'un nuage diffus évoluant vers une protoétoile, qui est finalement devenue notre Soleil, et un disque protoplanétaire qui a donné naissance aux planètes, dont la nôtre, ainsi qu'à des astéroïdes, des comètes et des poussières résiduelles. Pour comprendre la formation des systèmes planétaires tels que le nôtre, la composition chimique d'un système de type solaire et de ses planètes naissantes au début de sa formation constitue un outil de diagnostic puissant pour retracer son histoire. Un élément important à étudier dans ce contexte est la phase solide, qui comprend la poussière et les glaces interstellaires. On sait qu'une part importante de la complexité chimique observée dans l'espace se produit dans la phase solide. Cependant, certaines questions fondamentales restent encore sans réponse : - Comment les molécules organiques complexes sont-elles formées dans les environnements interstellaires ? - Comment pouvons-nous obtenir des données fiables sur les propriétés optiques des glaces pour modéliser l'émission de poussières dans les régions denses et froides du milieu interstellaire ? Pour répondre à ces questions, ma thèse utilise des expériences avec des analogues de glaces interstellaires sur deux fronts : Objectif textit{i} : La compréhension de l'évolution chimique du milieu interstellaire nécessite la connaissance de l'accrétion et de la sublimation du gaz dans diverses conditions astrophysiques. Nous présentons des expériences de laboratoire sur la sublimation de glace ciblée afin de fournir des données pour modéliser l'interaction du gaz et de la poussière et pour comprendre la formation de molécules organiques complexes interstellaires. Nos données expérimentales de désorption programmée en fonction de la température offrent un ensemble complet et graduel d'étalonnage avec toutes les informations requises pour les modèles gaz-grains. Nous donnons également un aperçu de la disponibilité des espèces pour réagir dans le manteau de glace en étudiant les mécanismes de piégeage des glaces d'eau amorphes compactes. Enfin, nous étudions les mécanismes de désorption des sels d'ammonium tout en mesurant leurs énergies de liaison expérimentales. Objectif textit{ii} : Les constantes optiques à large bande des analogues des glaces astrophysiques dans les domaines de l'infrarouge (IR) et du térahertz (THz) sont nécessaires pour modéliser l'émission du continuum de la poussière et le transfert radiatif dans les régions denses et froides du milieu interstellaire. Nous présentons des mesures directes des constantes optiques des glaces de CO et de CO$_2$ dans le domaine spectral THz-IR en utilisant une combinaison de spectroscopie THz dans le domaine temporel et de spectroscopie IR à transformée de Fourier. La méthode développée dans cette étude peut reconstruire les constantes optiques de divers analogues de glace astrophysiques sur une large gamme de fréquences (0.3 - 12.0 THz). Les résultats présentés aideront à modéliser les sources qui montrent une déplétion moléculaire, y compris les régions centrales des noyaux préstellaires et les plans médians des disques protoplanétaires, ainsi que les lignes de neige du CO et du CO$_2$ dans les disques. Ce travail de thèse fait partie du projet Astro-Chemical Origins (ACO), financé par le programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union Européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Skłodowska-Curie n° 811312.

Thesis resume

The Solar System originated from the condensation of gas and solids from a diffuse cloud evolving to a protostar, that eventually became our Sun, and a protoplanetary disk which gave rise to the planets, including our own, as well as asteroids, comets, and residual dust. To understand the formation of planetary systems such as ours, the chemical composition of a Solar-type system and its nascent planets during its early formation serves as a powerful diagnostic tool to track its history. An important component to investigate in this context is the solid phase, which includes dust and interstellar ices. It is known that a significant portion of the observed chemical complexity in space occurs in the solid phase. However, there are fundamental questions that still remain unanswered: - How are complex organic molecules formed in interstellar environments? - How can we obtain reliable data on the optical properties of ices to model the dust emission in dense and cold regions of the interstellar medium? To tackle these questions, my thesis uses experiments with interstellar ice analogues on two fronts: Objective textit{i}: Understanding the chemical evolution of the interstellar medium requires knowledge of gas accretion and sublimation under various astrophysical conditions. We present laboratory experiments on targeted ice sublimation to provide data to model the interplay of gas and dust and to understand the formation of interstellar complex organic molecules. Our experimental temperature-programmed desorption data offer a complete and gradual bench-marking set with all the information required for gas-grain models. We also provide insights into the availability of species to react in the ice mantle by investigating the trapping mechanisms of compact amorphous water ices. Finally, we study the desorption mechanisms of ammonium salts while also measuring their experimental binding energies. Objective textit{ii}: Broadband optical constants of astrophysical ice analogues in the infrared (IR) and terahertz (THz) ranges are needed to model the dust continuum emission and radiative transfer in dense and cold regions of the interstellar medium. We present direct measurements of the optical constants of CO and CO$_2$ ices in the THz-IR spectral range using a combination of THz time-domain and Fourier-transform IR spectroscopy. The method developed in this study can reconstruct the optical constants of various astrophysical ice analogues over a wide range of frequencies ($0.3$--$12.0$~THz). The reported results will help model sources that show molecular freeze-out, including the central regions of prestellar cores and mid-planes of protoplanetary disks, as well as CO and CO$_2$ snow lines in disks. This thesis work is part of the project Astro-Chemical Origins (ACO), funded by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No 811312.