Étude de l’évolution photochimique des nuages de l’atmosphère de Neptune sous l’influence des rayons ionisants

Contexte scientifique : Neptune est la dernière planète du système solaire. Elle fait partie, avec Uranus, l’autre géante dite glacée, parmi les corps les moins connus en orbite autour de notre soleil. Neptune est une planète dont la masse est composée d’environ 10-20% d’hydrogène et d’hélium, et de 80-90% d’éléments plus lourds. L’atmosphère, qui s’étend sur des centaines de km, se compose d’une troposphère dans les couches les plus profondes, jusqu’à la thermosphère en-haut de l’atmosphère. Bien que située à une distance de 30 unités astronomiques, Neptune reçoit des rayonnements UV et cosmiques qui impactent son atmosphère, composée essentiellement de dihydrogène (H₂), d’hélium (He) et de méthane (CH₄) [1]. Des produits photochimiques tels l’acétylène (C₂H₂), l’éthylène (C₂H₄), le cyanure d’hydrogène (HCN), le monosulfure de carbone (CS), ou encore des molécules aromatiques ont été détectés dans l’atmosphère ou prédites par les modèles, mais cette chimie atmosphérique et l’évolution photochimique des glaces (<200 K) qui composent les nuages de brume organique sont cependant très mal connus [1,2]. Ainsi, des études de simulations de laboratoire permettront d’investiguer cette chimie en préparation aux missions spatiales futures.

Objectif de la thèse : L’objectif principal sera d’étudier la photochimie des nuages de glaces de l’atmosphère de Neptune et de comprendre les processus physico-chimiques conduisant à la formation de molécules complexes sous l’influence de rayonnements ionisants. Un intérêt particulier sera porté sur l’étude de molécules déjà détectées sur Neptune, dans le but de mieux comprendre leur évolution photochimique mais aussi d’étudier des molécules encore non observées susceptible d’y être présentes.

Méthodologie : L’étudiant(e) utilisera la plateforme expérimentale MIRRPLA (Multiple-beam IRRadiation PLAtform) au sein du Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP) situé au Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL, Caen, France). MIRRPLA est un instrument unique qui permet de former des mélanges de glaces d’intérêt planétaire et astrophysique et de les irradier en combinant des irradiation par photons UV, électrons, et ions lourds [3]. Couplé à l’irradiation de glaces reproduisant les nuages neptuniens, l’analyse par spectrométrie infrarouge et de masse de molécules organiques complexes sera effectuée. Pour comprendre le rôle que jouent les aérosols organiques, des glaces seront aussi déposées sur des analogues d’aérosols appelés tholins, servant de noyaux de condensats. Un soutien théorique aux mesures expérimentales est aussi envisagé.

Déroulement de la thèse : Encadrants : David Dubois, Alicja Domaracka. Laboratoire : CIMAP­/GANIL. Début de thèse : Octobre 2026. Durée : 3 ans.

Références : [1] Moses, J. I., Cavalié, T., Fletcher, L. N., & Roman, M. T. (2020). Atmospheric chemistry on Uranus and Neptune. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 378(2187). [2] Dubois, D. (2025). Photochemical haze formation on Titan and Uranus: A comparative review. International Journal of Molecular Sciences, 26(15), 7531. [3] Domaracka, A., & Danger, G. (2023). Multiple beam irradiation platform MIRRPLA: origin and evolution of organic matter in the solar system.

Le Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL) est un accélérateur de particules qui permet de produire des ions lourds et ainsi de reproduire des conditions énergétiques simulant les milieux interstellaires et astrophysiques.

Le CIMAP est un laboratoire fondé en 2008 de recherche axé sur deux thèmes principaux : la matière excitée et les défauts, d’une part et les matériaux et l’optique, d’autre part. Le large éventail de disciplines présentes au CIMAP provient de sa longue tradition de structuration de la recherche en Physique à l’échelle de la Basse-Normandie mais aussi à l’échelle nationale.

Recherche d'un(e) candidat(e) étudiant motivé(e) dans les domaines de la physique-chimie, astrochimie et planétologie, et de l'irradiation de glaces, ayant des compétences et un intérêt pour l'astrophysique de laboratoire et potentiellement de modélisation.