Louis d’Hendecourt: “En astroquímica, la astrofísica de laboratorio es el juez supremo”

ECLA2016 "Gas on the rocks" (European Conference on Laboratory Astrophysics)
ECLA2016 “Gas on the rocks” (European Conference on Laboratory Astrophysics)

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Louis d'HendecourtEntrevista con Louis Le Sergeant d’Hendecourt, del equipo de Astroquímica y Orígenes del Instituto de Astrofísica Espacial (CNRS-UPS) en Francia. Este equipo utiliza técnicas experimentales, incluyendo espectroscopía, simulaciones de materia extraterrestre y el uso de varios métodos analíticos, para comprender la composición física y química y la evolución de los materiales de estado sólido en nuestra galaxia, así como durante la formación de nuestro Sistema Solar y otros posibles sistemas planetarios.

¿Cuál es el papel de la astrofísica de laboratorio en la Astrofísica?

La astrofísica de laboratorio proporciona muchos datos acerca de la formación y el comportamiento de moléculas interestelares. Esta información, obtenida principalmente utilizando espectroscopía molecular (pero no sólo) se utiliza para entender problemas astrofísicos tales como los parámetros físicos de diversas regiones del medio interestelar (ISM, por sus siglas en inglés) -de regiones difusas a regiones densas-, los mecanismos por los cuales las nubes moleculares colapsan formando estrellas, la formación de discos protoplanetarios e, incluso, la formación planetaria.

Aunque el modelado es una herramienta importante para entender la evolución del medio interestelar y su conexión con la formación planetaria, los modelos necesitan importantes contribuciones de la física y la química (velocidades de reacción, bases de datos espectroscópicas, canales de reacción, etc.) que solo pueden obtenerse en cuidadosos experimentos de laboratorio muy específicos. Además, simulaciones directas de algunos procesos, como la química de hielos, se benefician mucho de este trabajo de laboratorio cuando, debido a la creciente complejidad de las moléculas formadas, el modelado alcanza sus límites (demasiadas moléculas complejas, muchas rutas de reacción, aumento en las incertidumbres del modelo…). La astrofísica de laboratorio tiene es el juez supremo de la astroquímica.

¿Cuál es su campo de investigación actual?

Mi campo se centra en el estudio de la fotoquímica y la termoquímica de hielos interestelares (y cometarios) a partir de simulaciones de laboratorio. Irradiando análogos de hielos con luz ultravioleta se da lugar a la formación de radicales y especies muy reactivas en la mayor parte del hielo sólido.

El calentamiento de estos hielos conduce a la formación de miles de moléculas, incluso moléculas biológicamente relevantes, consideradas como los componentes básicos moleculares de la vida (aminoácidos, azúcares y una gran variedad de moléculas relacionadas). Este proceso es realmente muy complicado y requiere de simulaciones de laboratorio no dirigidas. Nuestras muestras se analizan por métodos clásicos de química analítica.

El objetivo de esta investigación es ver si podemos establecer un vínculo entre este tipo de material orgánico y la llegada a la Tierra primitiva de una fuente exógena de nutrientes que impulsara una química prebiótica. Por ejemplo, la reciente identificación de la ribosa, el azúcar clave para la formación de ARN, junto con la formación de numerosos aminoácidos en las mismas muestras puede ser importante para el desarrollo de la química prebiótica.

En el contexto de la astrofísica de laboratorio, ¿cuáles son los principales avances en los últimos años?

Las observaciones de ALMA de discos protoplanetarios, porque realmente empiezas a observar la formación de sistemas planetarios casi en tiempo real (con la posibilidad de tener una muestra de muchos discos en diversas etapas de evolución). Así será posible, después de algún tiempo y la adquisición de muchos datos, mejorar la información que tenemos sobre la formación de planetas y, en última instancia, tener acceso a las condiciones “iniciales” de los planetas telúricos, un conocimiento importante si uno está interesado en saber cómo comenzó la química prebiótica.

Esto puede ayudarnos  a comprender mejor los criterios de habitabilidad para los  exoplanetas, pero también, desde un punto de vista estadístico, a comprender si  cualquier química prebiótica útil (es decir, que conduzca a la aparición de la vida) es un acontecimiento singular o una característica general de los sistemas planetarios.

Naturalmente, ALMA por sí mismo no puede ir tan lejos, pero junto con los datos del futuro JWST, por ejemplo, puede ser de gran ayuda para entender este importante problema. Además, la detección de moléculas cada vez más complejas muestra claramente la importancia y el papel de los granos interestelares, particularmente de los hielos, en la química del medio interestelar que nos lleva hasta la formación de sistemas planetarios, en concreto para la química de los cuerpos menores, cometas y asteroides.

¿Qué resultados espera su comunidad en la próxima década?

El vínculo entre la astroquímica (la química de las nubes moleculares) y la cosmoquímica (la química de los cuerpos pequeños del Sistema Solar, con el estudio de la materia orgánica compleja hallada en meteoritos) es un verdadero desafío. Debe considerarse muy seriamente la importancia de la herencia molecular de los procesos interestelares de nuestro Sistema Solar (asteroides, cometas), de gran valor en el creciente campo de la Astrobiología. Pero no podemos olvidar que los descubrimientos no son algo que necesariamente podamos prever y que pueden ser fortuitos.

¿Cuál es la importancia de esta reunión en Astrofísica desde un punto de vista europeo?

La astrofísica de laboratorio siempre ha sido muy rica en Europa, por lo que la comunidad científica es bastante grande. La competitividad es la norma en todo el mundo, por lo que es importante que Europa mantenga su liderazgo en esta área de la astrofísica llamada astroquímica. Por último, abogo fuertemente por la posible relación entre la astroquímica y la astrobiología, un campo que está más desarrollado en los Estados Unidos y que debe reforzarse dentro de la comunidad científica europea.

Louis d'Hendecourt at ECLA2016
Louis d’Hendecourt at ECLA2016

ENGLISH VERSION

“Laboratory Astrophysics is the ultimate judge of astrochemistry”

Interview with Louis Le Sergeant d’Hendecourt, from the Astrochimie et Origines team of the Institut d’Astrophysique Spatiale (CNRS-UPS) in France. This team uses experimental techniques, including spectroscopy, simulations of extraterrestrial matter and the use of various analytical methods, to understand the physical and chemical composition and evolution of the solid state material in our Galaxy as well as during the formation of our Solar System and other possible planetary systems.

What is the role of molecular/laboratory astrophysics in astrophysics?

Laboratory Astrophysics provides many data about the formation and the behaviour of interstellar molecules. This information, mostly obtained from molecular spectroscopy (but not only) is then used to understand key astrophysical problems such as the physical parameters of various regions of the interstellar medium (ISM) (from diffuse to dense regions), the mechanisms by which molecular clouds collapse to form stars, the formation of protoplanetary disks and further, planetary formation.

Even if modelling is an important tool for understanding the evolution of the interstellar medium and its connection with planetary formation, models do need serious physical and chemical inputs (reaction rates, spectroscopic databases, reaction channels…) that can be obtained only from careful and dedicated laboratory experiments.

In addition, direct simulations of some processes, like the chemistry of ices, do greatly benefit of such laboratory work when, due to the increased complexity of the formed molecules, modelling reaches limits (too complex molecules, too many reaction routes, increase in the model uncertainties…). Laboratory Astrophysics is the ultimate judge of astrochemistry.

What is your current research field?

My own field is devoted to the photo and thermochemistry of interstellar (and cometary) ices from laboratory simulations. Irradiating ices analogues with UV light allows for the formation of radicals and very reactive species in the bulk of the solid ice. Warming up these ices, lead to the formation of thousands of molecules, including biologically relevant ones, considered as molecular bricks of life (amino acids, sugars and a variety of related molecules). This process is actually very intricate and necessitates non-directed laboratory simulations. Our samples are analysed by classical methods of analytical chemistry.

The goal of this research is to see if one can establish a link between such an organic material and the delivery on the primitive Earth of an exogenous source of nutrients for further prebiotic chemistry. For example, the recent identification of ribose, the key sugar toward the formation of RNA, together with the formation of numerous amino acids in the same samples may indeed be important for the development of prebiotic chemistry.

In the context of Laboratory Astrophysics, what are the main advances in recent years?

ALMA observations of protoplanetary disks because you actually start to observe the formation of planetary systems, almost in real time (with the possibility to sample many disks at various evolution stages). Thus it will be possible, after some time and the acquisition of many data, to better the formation of planets and ultimately to have access to “initial” conditions on telluric planet, an important knowledge if one is interested by the start up of prebiotic chemistry.

This may help to better understand habitability criteria for exoplanets but also, from a statistical point of view, to understand if any useful prebiotic chemistry (leading to the emergence of life) is a rare occurrence or a general feature of planetary systems. Naturally ALMA by itself will not go so far, but combination with future JWST data for instance may greatly help to further understanding this important problem. In addition, the detection of always more complex molecules clearly shows the importance and the role of interstellar grains, particularly of the ices, in the chemistry of the interstellar medium, down to the formation of planetary systems, particularly for the chemistry of minor bodies that are comets and asteroids.

What new results does your community expect in the next decade?

The link between astrochemistry (the chemistry of molecular clouds) and cosmochemistry (the chemistry of small bodies in the Solar System, with the study of the complex organic matter found in meteorites) is a real challenge because the molecular heritage from the interstellar processes in our Solar System (asteroids, comets) must be seriously considered and is extremely important in the fast growing field of astrobiology. But remember also that discoveries cannot be necessarily foreseen and may well be serendipitous.

What’s the relevance of this meeting in astrophysics from a European point of view?

Laboratory Astrophysics has always been very rich in Europe so that the scientific community is quite large. Worldwide competition is the rule so it is important that Europe keeps its leadership on this area of astrophysics which may be called astrochemistry. Finally, I strongly advocate the possible link between astrochemistry and astrobiology, a field that is more developed in the United States and must be reinforced within the European scientific community.

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