Atmosphère de Titan – les signatures du méthane dans l’infrarouge étudiées sur la ligne AILES
Le méthane est une molécule particulièrement intéressante pour l’étude des atmosphères (exo)planétaires et notamment celle de Titan, une lune de Saturne, qui possède une épaisse atmosphère. L'analyse détaillée des rayonnements absorbés par le méthane dans la gamme de longueurs d’onde de l'infrarouge lointain, à des températures très basses (de l’ordre de –180°C), revêt alors une importance fondamentale pour mieux comprendre et caractériser l'environnement de Titan, en vue de la prochaine mission de la NASA, Dragonfly, qui sera équipée d’un drone.
Les molécules (ainsi que les atomes) émettent et absorbent des rayonnements de longueurs d’onde variées, qui sont autant de « signatures » témoignant de la composition et des propriétés physico-chimiques de ces molécules. Pour qu’une molécule absorbe le rayonnement infrarouge (IR), il faut que les charges électriques des atomes qui la compose ne soient pas réparties uniformément au sein de l’assemblage moléculaire – autrement dit, il faut qu’elle possède un moment dipolaire. Or, la molécule de méthane (CH4) est une molécule sans moment dipolaire permanent. Par conséquent, en première approximation, elle ne peut absorber le rayonnement infrarouge. Néanmoins, lorsque la molécule se trouve dans des états rotationnels ou vibrationnels excités, un tout petit moment dipolaire résulte des déformations dues à l’effet centrifuge ou des vibrations et ceci induit de très faibles absorptions dans le domaine IR, entre 60 et 200 µm de longueur d’onde.
L’étude du spectre IR (enregistrement de toutes les « raies » correspondant chacune à l’absorption d’une longueur d’onde IR par la molécule étudiée) du méthane à différentes pressions, basse température et dans un mélange gazeux (ici le gaz N2) est, malgré la faiblesse des absorptions, d’une importance majeure dans l’étude de l’atmosphère de Titan le plus gros satellite de la planète géante Saturne. En effet, il s’agit des conditions existant au sein de cette atmosphère, composée d’environ 96 % de N2 et de 4 % de CH4. Une telle expérience permet de définir les paramètres de l’élargissement des raies spectroscopiques qui sont essentiels dans la compréhension des modèles atmosphériques. Or, les scientifiques ont besoin de caractériser d’une façon précise cette atmosphère dans un avenir proche, dans l’optique des différentes missions à venir, et notamment Dragonfly, une mission d’exploration de la NASA, composée d’un drone. Ils ont besoin d’une banque de spectres de référence auxquels il sera possible de comparer les données enregistrées lors de ce type de mission spatiale, comme ce fut le cas pour la mission Cassini-Huygens.
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Les travaux présentés ci-dessus ont été conduits grâce à la collaboration entre le Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB, CNRS / Université Bourgogne-Franche-Comté), l'Université Libre de Bruxelles, le Laboratoire inter-universitaire des systèmes atmosphèriques (LISA, CNRS / Université Paris Cité / Université Paris-Est Crétail Val-de-Marne) et le Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (LESIA, CNRS / Observatoire de Paris-PSL / Sorbonne Université / Université Paris Cité) et réalisés au Synchrotron Soleil.
Références : Self and N2 collisional broadening of far-infrared methane lines at low-temperature with application to Titan, Richard, C., Boudon, V., Manceron, L., Vander Auwera, J., Vinatier, S., Bézard, B., Houelle, M, ScienceDirect, publié le 1er novembre 2023.
Doi : 10.1016/j.icarus.2023.115692
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