La polarimétrie au service de l’astrobiologie

1. La polarimétrie au service de l’astrobiologie Nadine Manset La polarimétrie au service de l'astrobiologie

2. Astro-bio-polaro-métrie • Un tout petit peu de polarimétrie • Un peu pas mal de biologie • Une idée pour détecter de la vie ailleurs que sur Terre • Expérience spectropolarimétrique avec ESPaDOnS: • en labo • sur le ciel La polarimétrie au service de l'astrobiologie

3. Polarisation de la lumière La lumière est une ondeélectro-magnétique. La polarimétrie au service de l'astrobiologie

4. Lumière non-polarisée La polarimétrie au service de l'astrobiologie

5. Polarisation linéaire La polarimétrie au service de l'astrobiologie

6. Polarisation circulaire La polarimétrie au service de l'astrobiologie

7. Qu’est ce que l’astrobiologie?(exobiologie, bioastronomie, cosmobiologie) • Etude de l’origine de la vie, de son évolution et de sa distribution dans l’Univers, ainsi que des processus et structures qui y sont associées • Ses piliers (science pures) sont: la physique, la chimie et la biologie • Sciences appliquées: astronomie, astrophysique, planétologie, physique atmosphérique, climatologie, géologie, géophyique, géochimie, biochimie, paléontologie, microbiologie... La polarimétrie au service de l'astrobiologie

8. Buts de l’astrobiologie • Le NASA Astrobiology Institute veut répondre aux questions suivantes: • Comment la vie a-t-elle commencé et s’est-elle développée? • Y a-t-il de la vie ailleurs dans l’Univers? • Quel est le futur de la vie sur Terre et ailleurs? ? ? ? ? ? ? ? ? La polarimétrie au service de l'astrobiologie

9. Définition de la vie • Un système qui contient de l’information, se reproduit et évolue. La polarimétrie au service de l'astrobiologie

10. Ingrédients nécessaires à la vie • Source de C, H, N, O, ... • Energie: • lumineuse (photosynthèse) - ex: plantes • chimique (chimiosynthèse) - ex: extrémophiles dans les sources hydrothermales, bactéries vivant dans le sous-sol à 1.8 km sous les Rocheuses • hétérotropie - ex: mammifères • H2O (liquide) La polarimétrie au service de l'astrobiologie

11. Exemples d’organismes vivants Sur Terre, les 3 domaines du vivant sont: • Archeabactéries (unicellulaires procaryotes (pas de noyaux)), dont plusieurs extrémophiles • Eubactéries ou bactéries (procaryotes) • Eucaryotes (cellules avec noyaux): • champigons - plantes • animaux - protistes La polarimétrie au service de l'astrobiologie

12. Extrémophiles • Psychrophiles (froid), jusqu’à –10ºC • Thermophiles (chaud), jusqu’à 113ºC • Barophiles (pression), jusqu’à 800-1000 atmosphères • Acidophiles, alcaliphiles (environnements acides ou basiques) • Halophiles (sel), jusqu’à une salinité de 35% • Résistance au vide (streptocoques sur la caméra de Surveyor 3, rapportés par la mission Apollo12) • Résistance aux radiations (ex: Deiococcus radiodurans qui se développe dans les conduites d’eau de refroidissement des réacteurs nucléaires) La polarimétrie au service de l'astrobiologie

13. COO- H3+N C H R sucre + groupement phosphate + base azotée (GACT/U) Chimie de la vie = acides aminés protéines (structure) C, N, O, H = nucléotides Acides nucléiques ADN, ARN (information) La polarimétrie au service de l'astrobiologie

14. Mais encore... • Hydrates de carbone (sucres) • Lipides (graisses) • Vitamines • Co-facteurs (fer, magnésium...) • Hormones • ... La polarimétrie au service de l'astrobiologie

15. Acides aminés et nucléotides • Il existe des centainesd’acides aminés, mais seulement 20 sont utilisés fréquemment dans les organismes vivants (2 moins fréquemment) • Les bases azotées sont des purines et pyrimidines, dont il existe une multitude, mais seulement 5 sont utilisés La polarimétrie au service de l'astrobiologie

16. Chiralité des acides aminés • En labo, on peut créer des acides aminés “gauche” et “droite” en quantités égales • Mais la très vaste majorité des organismes vivants ne sont constitués que d’acides aminés “gauche” La polarimétrie au service de l'astrobiologie

17. La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. La polarimétrie au service de l'astrobiologie

18. Production de molécules chiralesen labo • Des molécules chirales (incluant des acides aminés) peuvent être produites en labo avec de la polarisation circulaire dans l’UV (2000-2500Å), où sont les bandes de dichroisme circulaire (absorption différente selon que la polarisation circulaire est gauche ou droite) La polarimétrie au service de l'astrobiologie

19. Production de molécules chiralesen labo La polarimétrie au service de l'astrobiologie

20. La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. • On peut les produire en labo. La polarimétrie au service de l'astrobiologie

21. Production de molécules chiralesdans la Nature • En dehors des labos, comment produire les molécules chirales des organismes vivants: • Origine terreste (polarisation UV de la lumière du jour, asymétrie de la force électrofaible): non • Origine extra-terrestre plus probable: • SN (non) • régions de formation stellaire (oui): diffusion de la polarisation linéaire sur des grains sphériques ou diffusion sur des grains asphériques alignés pour obtenir de la polarisation circulaire La polarimétrie au service de l'astrobiologie

22. Production de molécules chiralesdans Orion OMC-1 • “Circular polarization in star-formation regions: implications for biomolecular homochirality”, Bailey et al., Science, July 1998 • Imagerie polarimétrique dans IR: jusqu’à 17% de polarisation circulaire dans la nébuleuse par réflection (source obscurcie) • Possibilité d’avoir de la polarisation circulaire dans l’UV aussi • Mais il faut que la polarisation soit dans certaines bandes seulement! La polarimétrie au service de l'astrobiologie

23. Production de molécules chiralesdans Orion OMC-1 • Molécules chirales produites s’il y a peu de flux UV en-dessous de 2000Å: étoiles A3 et plus froides La polarimétrie au service de l'astrobiologie

24. La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. • On peut les produire en labo. • On peut les produire dans les régions de formation stellaire. La polarimétrie au service de l'astrobiologie

25. Du milieu interstellaire à la Terre • Des acides aminés ont été créés dans Orion, mais dans le Système Solaire aussi? • Si des acides aminés ont été créés dans le Système Solaire, auraient-ils pu arriver sur Terre? • OUI! La polarimétrie au service de l'astrobiologie

26. Météorite de Murchison • Météorite tombée en Australie en Septembre 1969. • Contient des composés organiques, dont 8 acides aminés utilisés par les organismes terrestres! • Il y a même un excès d’acides aminés gauche! La polarimétrie au service de l'astrobiologie

27. La vie, c’est une vingtaine d’acides aminés, juste des “gauche”. • On peut les produire en labo. • On peut les produire dans les régions de formation stellaire. • On les trouve dans des météorites. La polarimétrie au service de l'astrobiologie

28. Où regarder pour trouver de la Vie? • La Terre (surtout pour découvrir de nouveaux extrémophiles) • Mars (sous-sol) La polarimétrie au service de l'astrobiologie

29. Où regarder pour trouver de la Vie? • La Terre (surtout pour découvrir de nouveaux extrémophiles) • Mars (sous-sol) • Europe (banquise en mouvement, glace, eau liquide) La polarimétrie au service de l'astrobiologie

30. La polarimétrie au service de l'astrobiologie

31. Où regarder pour trouver de la Vie? • La Terre (surtout pour découvrir de nouveaux extrémophiles) • Mars (sous-sol) • Europe (banquise en mouvement, glace, eau liquide) • Titan (labo avec une chimie organique variée) La polarimétrie au service de l'astrobiologie

32. Comment regarder? • Idéalement: échantillons, analyse, composition, structures qui ressemblent à des bactéries, fossiles • Imagerie: traces de flots liquides, couleur • Spectroscopie: identification des éléments, gaz (ex: oxygène + méthane), red edge • Polarimétrie: chiralité La polarimétrie au service de l'astrobiologie

33. Chiralité et polarisation lumière + molécules chirales polarisation circulaire La polarimétrie au service de l'astrobiologie

34. Chiralité et polarisation lumière + acides aminés polarisation circulaire La polarimétrie au service de l'astrobiologie

35. Chiralité et polarisation lumière + organismes vivants polarisation circulaire La polarimétrie au service de l'astrobiologie

36. Chiralité et feuilles vertesHoussier & Sauer (1970) • Houssier & Sauer (1970) ont mesuré le dichroisme circulaire de la chlorophylle et autres pigments similaires utilisés par les plantes pour faire de la photosynthèse CD Absorbance 300 400 500 600 La polarimétrie au service de l'astrobiologie

37. Chiralité et feuilles vertesProspergelis (1969) • Prospergelis (1969) a mesuré la polarisation linéaire et circulaire produite par différents objets (roches, surfaces de couleur, feuilles vertes) La polarimétrie au service de l'astrobiologie

38. Chiralité et feuilles vertesWolstencroft et al. (2002) • Wolstencroft et al. (2002) ont détecté des molécules chirales dans des feuilles vertes, en utilisant la technique “Diffuse Reflectance Circular Dichroism” La polarimétrie au service de l'astrobiologie

39. Idée • Pourrait-on utiliser un polarimètre pour voir s’il y a des molécules chirales sur Mars, Europe, Titan...? • Comment interpréter les résultats? Il faudrait des mesures en labo sur des échantillons vivants. • Quel instrument utiliser? ESPaDOnS La polarimétrie au service de l'astrobiologie

40. ESPaDOnS • ESPaDOnS est un spectro-polarimètre qui obtient en une seule pose une couverture de 3700Å à 10500Å avec une résolution spectrale de 68,000 • ESPaDOnS peut mesurer la polarisation circulaire ou linéaire La polarimétrie au service de l'astrobiologie

41. ESPaDOnS La polarimétrie au service de l'astrobiologie

42. ESPaDOnS La polarimétrie au service de l'astrobiologie

43. Spectres ESPaDOnS La polarimétrie au service de l'astrobiologie

44. Expériences ESPaDOnS • William B. Sparks (Space Telescope Science Institute) • James H. Hough (Center for Astrophysics Research, University of Hertfordshire, UK) • Feng Chen, Shil DasSarma (Center for Marine Biotechnology, University of Maryland) • Thomas Germer (National Institute for Standards and Technology, Maryland) La polarimétrie au service de l'astrobiologie

45. ESPaDOnS – Expérience de jour • Module Cassegrain sur le plancher • Source de lumière, échantillons, lentilles • Analyse par le module Cassegrain • Fibres optiques jusqu’au spectrographe • Spectroscopie • Mesure de la polarisation, recherche d’une biosignature La polarimétrie au service de l'astrobiologie

46. ESPaDOnS – Expérience de jour La polarimétrie au service de l'astrobiologie

47. ESPaDOnS – Expérience de jour Echantillons utilisés • Feuilles vertes • Bactéries • Roches • Papier filter (blanc, noir) • Polariseurs La polarimétrie au service de l'astrobiologie

48. ESPaDOnS – Observations au télescope • Observations spectro-polarimétriques de: • Titan, Iapetus • Europe, Io, Ganymède • Deux buts: • étude de la polarisation de ces objets • recherche de signes de molécules chirales La polarimétrie au service de l'astrobiologie

49. ESPaDOnS – Résultats • Problème de birefringence dans une lentille, produisant de la polarisation instrumentale: • Une partie de la polarisation circulaire se retrouve dans Q (linéaire) • La lentille produit du circulaire • On ne peut pas se fier au niveau absolu de polarisation La polarimétrie au service de l'astrobiologie

50. ESPaDOnS – Expérience de jour Papier filtre Plin~ 3%, 1.5% Pcirc ~ -0.05% La polarimétrie au service de l'astrobiologie