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Alexia Simon : Voyage au cœur de l'astrochimie et de la formation des planètes

Plongez dans l'univers captivant de l'astrochimie avec Alexia Simon, doctorante à Harvard University. Originaire de France, Alexia mène des recherches de pointe sur la chimie des glaces interstellaires et leurs implications pour la formation des étoiles et des planètes. Dans cette interview, elle partage son parcours inspirant, ses recherches fascinantes, et sa vision pour l'avenir de l'exploration spatiale.



Je m’appelle Alexia Simon et je suis originaire de France. Actuellement, je suis en sixième année de thèse (Ph.D.) à Harvard University, située à Cambridge, près de Boston. J’ai officiellement emménagé à Boston en 2019 pour débuter mon doctorat, mais j’avais déjà commencé à effectuer des stages aux États-Unis dès le printemps 2017.


Un domaine au croisement de la chimie et de l'astronomie

L’astrochimie est l’étude des éléments chimiques présents dans l’espace et dans des environnements astrophysiques tels que les nuages moléculaires, où se forment les étoiles et les planètes. Elle englobe également l’étude de la formation, des interactions et de la destruction des étoiles et des planètes.


L’astrochimie est un domaine de l’astronomie. Mon doctorat s’inscrit dans le département d’astronomie, où j’ai suivi des cours sur des sujets variés, notamment les galaxies, les étoiles, les exoplanètes, la cosmologie, les techniques d’observation avec les télescopes, ainsi que l'étude  des formation des planètes, entre autres.


Revenons à l’astrochimie. Ce domaine se divise en trois sous-catégories principales : l’observation, la théorie et les expériences en laboratoire.

  • Observation : Cette approche consiste à analyser les molécules présentes dans les disques protoplanétaires, qui sont des structures où naissent les planètes. Ces observations peuvent être réalisées depuis la Terre, à l’aide d’instruments comme ALMA, ou depuis l’espace, grâce au télescope spatial James Webb (JWST). Elles permettent d’identifier les molécules en phase gazeuse présentes dans ces environnements. Ceci dit grâce au JWST pour la première fois, les glaces interstellaires dans les disques protoplanétaires. 

  • Théorie : Cette partie s’appuie sur des simulations pour comprendre l’évolution des grains de poussière ou des petites roches ou glaces  dans les disques protoplanétaires. Elle se concentre sur les molécules en phase solide et leur évolution chimique dans ces environnements.

  • Expérimentation en laboratoire : Les expériences peuvent porter sur des molécules en phase gazeuse ou solide. Il est important de noter que, dans l’espace, il n’y a pas de phase liquide. Généralement, les molécules en phase gazeuse aboutissent dans l’atmosphère des planètes, tandis que celles en phase solide se retrouvent dans leur structure interne.


Mes missions

Je me spécialise dans les expériences en laboratoire, en phase solide. Mon travail consiste à reproduire les réactions chimiques susceptibles de se produire dans l’espace, en particulier durant l’étape des disques protoplanétaires. Ces expériences permettent de découvrir de nouvelles molécules potentiellement présentes dans ces environnements ou de comprendre les mécanismes chimiques qui aident à interpréter les observations astronomiques. Ces trois sous-domaines — observation, théorie et laboratoire — sont interconnectés et nécessaires pour faire progresser notre compréhension de l’univers.




Astrochimie Alexia Simon


Comprendre l’astrochimie, c’est analyser les molécules, les réactions chimiques dans l’espace et leur rôle à chaque étape de la formation des étoiles et des planètes. Cela permet d’expliquer la composition des corps planétaires et de leurs atmosphères. De plus, cela contribue à répondre à des questions fondamentales sur l’origine de la vie, notamment sur les molécules nécessaires à son émergence.


Un aspect fascinant de notre domaine est que, dans ces disques protoplanétaires, toutes les petites roches ne forment pas des planètes. Certaines deviennent des astéroïdes ou des comètes. Dans notre Système solaire, nous avons la possibilité d’étudier ces comètes, souvent considérées comme des archives chimiques préservées des débuts de notre système il y a des milliards d’années.


L’exploration de l’univers est l’une des grandes curiosités humaines, tout comme la quête pour comprendre nos origines. Grâce à l’astrochimie, nous contribuons à répondre à ces interrogations essentielles.


Mon parcours

Pour commencer, j’ai suivi un baccalauréat scientifique au lycée que j’ai eu sans mention. Ensuite, je me suis orientée vers un DUT de chimie en deux ans à l’IUT d’Orsay (Université Paris-Sud). Ce choix correspondait mieux à ma méthode d’apprentissage, car j’ai toujours aimé apprendre en pratiquant, en réalisant des expériences concrètes — je suis une personne très "hands-on".

Les relations professionnelles jouent un rôle essentiel dans le milieu académique.

Après le DUT, j’ai poursuivi mes études avec une licence en chimie, toujours à l’Université Paris-Sud à Orsay. Pendant cette période, mon intérêt pour l’astrochimie s’est renforcé grâce à des discussions avec mes professeurs. Cela m’a amenée à choisir un master en chimie à l’Université Pierre et Marie Curie (Sorbonne Université).


Après mon master, j’ai pris une année sabbatique pour économiser de l’argent et préparer ma candidature pour les universités américaines, notamment Harvard. Les candidatures aux universités américaines étant dues en décembre, j’avais raté la date limite pour l’année en cours.




Le processus de candidature aux États-Unis : Pour postuler, il fallait constituer un dossier complet comprenant :

  • Trois lettres de recommandation,

  • Une lettre de motivation,

  • Un CV,

  • Des réponses à plusieurs questions sur la motivation, les compétences, les performances académiques, et les activités extra-scolaire

  • Une preuve de maîtrise de l’anglais (TOEFL ou TOEIC),

  • Tous les diplômes obtenus depuis le baccalauréat, accompagnés de traductions officielles,

  • Idéalement, une publication scientifique,

  • Le GRE (Graduate Record Examinations), qui évalue les connaissances générales et la capacité à réussir des études de niveau graduate (master ou doctorat).

Ces stages ont été cruciaux pour mon parcours.

Mes expériences pratiques : Durant mon DUT, j’ai effectué un stage à Valence, en Espagne. Lors de mes deux années de master, j’ai également réalisé des stages. En première année, j’ai travaillé à Georgia Tech (Atlanta, Géorgie), et en deuxième année, j’ai eu l’opportunité de faire un stage dans le laboratoire où je poursuis aujourd’hui mon doctorat à Harvard.

Ces stages ont été cruciaux pour mon parcours. Durant mon Master 1, j’ai eu la chance de rencontrer mais aussi faire un projet de recherche  avec un professeur qui m’a conseillé sur le domaine de l’astrochimie, après avoir suivi un de ses cours sur la chimie de l’atmosphère. Il m’a orientée vers un collègue à Georgia Tech, où j’ai pu approfondir mes connaissances. Pendant ce stage, j’ai rencontré d’autres chercheurs et pris contact avec ma future directrice de thèse à Harvard, en lui envoyant un email avec une lettre de motivation et un CV pour lui demander une opportunité de stage.


Les leçons apprises : Ces expériences m’ont appris que les relations professionnelles jouent un rôle essentiel dans le milieu académique. J’avais aussi entendu dire qu’il était avantageux d’avoir une expérience de stage aux États-Unis avant de postuler pour un doctorat dans ce pays, ce qui s’est révélé vrai.

  • Le DUT m’a beaucoup apporté, notamment une grande aisance en laboratoire et une confiance dans mes compétences pratiques. Les stages, en plus de m’apprendre à m’adapter à de nouveaux pays et cultures, m’ont permis de développer des qualités d’adaptation et de persévérance.

  • En parallèle, durant mes études supérieures, mes vacances d’été ou mon année sabbatique, j’ai travaillé comme technicienne de laboratoire dans les domaines de la biologie, de l’agroalimentaire et de la biopharmaceutique. Ces expériences m’ont aidée à mieux appréhender le travail en équipe, la prise de décision, et les exigences des environnements de laboratoire.

  • Dès ma deuxième année de DUT, je savais que je voulais me spécialiser en astrochimie. Ce domaine est devenu une véritable passion et un objectif clair que j’ai poursuivi avec détermination tout au long de mon parcours académique et professionnel.


Une journée avec moi

Un doctorat (PhD) dure généralement entre 5 et 6 ans. Dans mon département d’astronomie, nous devons répondre à plusieurs exigences :

  1. Cours : Nous devons suivre environ sept cours de niveau master, généralement à raison de deux cours par semestre. Ces cours incluent des devoirs hebdomadaires très exigeants, souvent longs, ainsi que des examens, et des lectures de livres,  ce qui demande une gestion rigoureuse du temps.

  2. Enseignement : Nous devons également occuper le rôle d’assistant·e enseignant·e pendant deux semestres, en encadrant des cours de niveau licence, master ou parfois même doctorat. Nos tâches sont d’assister au cours, prendre des notes, créer les devoirs, les corriger, corriger les examens et enseigner les TD (travaux dirigés). 

  3. Engagement communautaire : Une autre exigence est de participer à une activité d’engagement public ("outreach"). Pour ma part, j’ai co-organisé ComSciCon, une conférence dédiée aux étudiant·es, visant à les aider à mieux communiquer des concepts complexes dans un cadre académique.



En général, ces obligations académiques et pédagogiques s’étendent sur les trois ou quatre premières années du doctorat, en plus des projets de recherche. Pendant la première année, nous devons également passer un examen officiel d’entrée dans le département, où nous répondons à un jury sur une centaine de questions couvrant l’ensemble de l’astronomie.


Recherche : Sur le plan de la recherche, nous présentons régulièrement nos progrès à un comité de thèse (mis en place dès la première année). Vers la troisième ou quatrième année, un examen de recherche valide notre passage du statut d’étudiant·e en thèse à celui de candidat·e au doctorat.


Une journée type : Chaque journée est différente dans mon domaine, car nous évoluons dans un département très actif. Presque tous les jours, des présentations scientifiques sont organisées, qu’elles soient données par des membres du département (composé de plus de 850 personnes, incluant scientifiques, ingénieurs et personnels) ou par des chercheurs invités du monde entier.

Quand je suis au laboratoire, une journée classique commence généralement vers 8h du matin et se termine entre 16h et 22h, selon la durée des expériences. Certaines journées peuvent durer seulement 5 heures, tandis que d’autres peuvent s’étendre jusqu’à 14 heures.

Lorsque je ne suis pas au laboratoire, je travaille depuis mon bureau. Ces journées sont consacrées à :

  • l’analyse des données de mes expériences,

  • la rédaction d’articles scientifiques,

  • la préparation de présentations,

  • l’organisation d’activités pour des clubs départementaux,

  • la participation à des conférences ou collaborations.

Le travail varie énormément en fonction des priorités et des échéances, ce qui rend chaque journée unique. Cette diversité est l’un des aspects que j’apprécie le plus dans mon rôle de chercheuse en astrochimie.


Voici mon calendrier google d’une semaine typique de ce mois-ci: 

Un semaine typique de Novembre 2019 lorsque j’avais des cours:

La recherche autour de la chimie de glace interstellaire 

Mes recherches actuelles en chimie de glace interstellaire se concentrent sur deux axes principaux :


  1. Comprendre les mécanismes influençant la distribution des molécules dans les disques protoplanétaires

    Je m’intéresse à des molécules comme H₂O, CO, CO₂, Argon, N₂ et CH₄, et j’étudie comment elles se répartissent entre les phases solide et gazeuse dans les disques protoplanétaires. Ces disques, qui entourent les étoiles en formation, présentent des gradients de température significatifs : les régions proches de l’étoile peuvent atteindre plus de 700°C, tandis que les zones les plus éloignées peuvent descendre jusqu’à -243°C.Ces variations de température dictent si une molécule se trouve sous forme solide ou gazeuse. Par exemple, tout comme l’eau passe de l’état solide à l’état gazeux lorsqu’elle est chauffée sur Terre, un principe similaire s’applique dans l’espace, bien que limité aux phases solide et gazeuse. En étudiant les mécanismes chimiques et physiques qui régissent ces transitions, je cherche à mieux comprendre quelles molécules se trouvent dans quelle phase et à quel endroit dans les disques.Cette compréhension est essentielle pour déterminer où ces molécules finiront par se retrouver sur les planètes en formation : dans leur atmosphère ou intégrées à leur structure interne.

  2. Étudier le deutérium et son rôle dans les réactions chimiques spatiales

    Un autre volet de mes recherches concerne le deutérium, un isotope de l’hydrogène (l’élément le plus abondant dans l’univers). J’explore les réactions chimiques impliquant le deutérium qui peuvent se produire durant les étapes de formation des étoiles et des planètes.Ces réactions me permettent d’étudier comment les molécules enrichies en deutérium se forment et évoluent. Mon objectif est de comparer les résultats de ces expérimentations avec les observations des molécules présentes dans les comètes, notamment leurs abondances isotopiques. Les comètes, considérées comme des "archives chimiques" du Système solaire primitif, offrent une opportunité unique de tester les modèles développés en laboratoire.


Objectifs spécifiques :

  • Identifier les processus qui déterminent la phase des molécules dans les disques protoplanétaires et comprendre leur impact sur la composition chimique des planètes et de leurs atmosphères.

  • Révéler les mécanismes chimiques à l’origine de l’enrichissement en deutérium dans certaines molécules et relier ces résultats aux observations astronomiques, en particulier dans les comètes.


Ces recherches contribuent à mieux comprendre les processus fondamentaux de la formation des planètes et des étoiles, tout en éclairant les origines des molécules nécessaires à la vie.



Mon experience aux USA

Lors de mon stage au Georgia Tech Research Institute, sous la supervision du Prof. Kenneth R. Brown, j’ai travaillé sur des expériences de laboratoire visant à mesurer les différents états ro-vibrationnels de l’ion moléculaire CaH⁺. Cet ion est un système d’intérêt pour des études fondamentales, notamment en physique moléculaire et en chimie quantique, car il peut servir de modèle pour mieux comprendre les interactions moléculaires dans des environnements spécifiques.


La spectroscopie ro-vibrationnelle est une technique permettant d'étudier les transitions énergétiques associées aux mouvements de rotation et de vibration des molécules. Ces transitions se situent généralement dans l’infrarouge et fournissent des informations précises sur la structure moléculaire, les forces de liaison et les interactions intramoléculaires.


Mon travail consistait à préparer le système, à manipuler des équipements de spectroscopie avancés et à analyser les données pour identifier les transitions spécifiques entre les différents états ro-vibrationnels. Ce projet m’a permis de m’immerger dans une approche expérimentale rigoureuse et de collaborer au sein d’une équipe multidisciplinaire.


Impact de cette expérience sur ma recherche actuelle : Cette expérience a enrichi mon approche de la recherche actuelle à plusieurs niveaux :

  1. Découverte du milieu universitaire américain :C’était ma première immersion dans un environnement académique aux États-Unis. Cela m’a permis de me familiariser avec une nouvelle culture scientifique, d’améliorer ma maîtrise de l’anglais scientifique et de développer des compétences en communication dans un environnement international.

  2. Autonomie dans la gestion de projet :Ce stage m’a offert l’opportunité de travailler sur un projet indépendant, ce qui m’a appris à être responsable, à organiser mon temps et à prendre des décisions scientifiques de manière autonome. Cette autonomie m’aide aujourd’hui dans la gestion de mes projets de thèse.

  3. Travail en équipe et collaboration :Être intégrée à une équipe de recherche m’a montré l’importance des échanges interdisciplinaires et du travail collectif pour avancer sur des problématiques complexes. Cette expérience m’a également sensibilisée à l’importance de s’appuyer sur les forces d’un groupe, une compétence clé dans ma recherche actuelle en astrochimie.


Lancement du Téléscope James Webb en 2019 Mon projet n’a pas directement contribué au lancement du télescope spatial James Webb (JWST) en 2019, mais il a joué un rôle dans la préparation à l’interprétation des résultats scientifiques attendus.

Le JWST, grâce à sa sensibilité exceptionnelle dans l’infrarouge, permet pour la première fois d’observer directement les glaces interstellaires dans les environnements froids et denses, tels que les nuages moléculaires où se forment les étoiles et les planètes. Ces observations nécessitent des bases de données solides et des modèles expérimentaux pour identifier et analyser les signatures spectrales des molécules présentes dans ces glaces.

Dans ce contexte, mon travail consiste à reproduire en laboratoire des glaces interstellaires en simulant les conditions extrêmes de l’espace, telles que des températures très basses (-263°C ou moins) et des environnements à basse pression (10^-10 Torr sachant que sur la Terre on est a ~700 Torr) . Ces expériences permettent de mesurer les spectres infrarouges des glaces et d’identifier les molécules spécifiques qu’elles contiennent. 

Ces données expérimentales servent de référence pour interpréter les spectres observés par le JWST. Par exemple, elles permettent d’Identifier les molécules présentes, Comprendre les processus chimiques, Contribuer aux modèles astrophysiques

L’objectif de mon projet était donc de fournir une base de données expérimentale fiable et des outils analytiques pour aider les astronomes à interpréter les observations du JWST. 

Quels sont les défis majeurs de votre domaine ?

L’astrochimie est un domaine relativement récent, encore en pleine exploration, ce qui représente à la fois un défi et une opportunité. De nombreuses questions fondamentales restent sans réponse, et il y a encore beaucoup de recherches à mener pour combler les lacunes dans notre compréhension.


Les principaux défis que je rencontre dans mes recherches se situent à plusieurs niveaux :

  1. Technologies et ressources :Les laboratoires, les observations et les simulations nécessitent des outils et des équipements extrêmement sophistiqués. En laboratoire, reproduire avec précision les conditions extrêmes de l’espace interstellaire (comme les très basses températures ou l’exposition aux rayonnements UV) demande des instruments coûteux et complexes. De plus, les observations astronomiques dépendent de télescopes comme le JWST ou ALMA, dont le temps d’utilisation est limité et hautement compétitif. Enfin, les simulations théoriques requièrent des ressources informatiques importantes et des modèles encore en développement.

  2. Un domaine en construction :L’astrochimie étant encore jeune, il y a peu de certitudes absolues. Cela signifie que nous devons souvent travailler avec des hypothèses, en utilisant les meilleures informations disponibles. Cela demande de la créativité pour relier des éléments disparates et proposer des hypothèses novatrices, mais aussi de la rigueur pour s’assurer que nos conclusions soient robustes.

  3. Complexité scientifique :Les phénomènes que nous étudions, comme les réactions chimiques dans les glaces interstellaires ou les environnements extrêmes des disques protoplanétaires, impliquent des processus très complexes qui sont souvent interconnectés. Par exemple, il peut être difficile d’isoler une réaction chimique spécifique ou d’interpréter un signal spectral lorsque plusieurs processus se produisent simultanément.


Cependant, ces défis rendent notre génération de scientifiques particulièrement essentielle. Nous avons la responsabilité et l’excitation de poser les premières bases solides de ce domaine, de formuler des hypothèses initiales et de développer les outils et approches qui serviront de fondement à l’astrochimie du futur.


Vie pro et vie perso

L’université met à disposition de nombreuses infrastructures pour favoriser le bien-être (un centre de méditation, massage et yoga) mais aussi des gymnases, des piscines, des terrains de tennis, et même une variété de clubs sportifs. Elle organise également de nombreux événements, ce qui aide à décompresser et à se détendre après de longues journées de travail.


J’essaie de pratiquer une activité sportive au moins deux à trois fois par semaine. Je fais partie du club de danse et du club de patinage artistique, deux activités qui me permettent de m’évader et d’exprimer ma créativité. Ces moments de sport et de loisirs sont précieux pour recharger mes batteries et trouver un équilibre.


Cependant, il m’arrive de traverser des périodes où l’équilibre entre vie professionnelle et vie personnelle devient difficile. Le "work-life balance" est un défi, et je peux passer des semaines, voir des mois, sans trouver le temps de me consacrer à mes loisirs. Ma vie est souvent composée de hauts et de bas, mais j’essaie toujours de faire de mon mieux pour aller mieux.


Pour cela, je donne la priorité à ma santé mentale en consultant une spécialiste, et à ma santé physique en prenant soin de mon corps, notamment en voyant une chiropractie. Ces démarches m’aident à maintenir un équilibre global et à rester résiliente face aux exigences de ma vie professionnelle.

Astrochimie Alexia Simon

Quelques conseils

Je pense que ma plus grande réussite personnelle a été de construire un environnement de recherche sain et épanouissant. Être entourée d’un groupe de collègues incroyables et accompagnée par une directrice de thèse inspirante et bienveillante m’a permis de m’épanouir pleinement dans mon travail.


Chaque projet de recherche sur lequel je travaille me passionne et nourrit ma curiosité pour les mystères de l’univers. J’ai le privilège de plonger dans des détails fascinants.

Un autre moment de grande fierté est la possibilité de partager mes recherches lors de conférences. Ces opportunités me permettent de présenter mes résultats, d’échanger avec des chercheurs du monde entier et de contribuer à la progression collective du domaine. Communiquer ma science, et voir l’intérêt qu’elle suscite, représente une réussite importante pour moi, tant sur le plan professionnel que personnel.


En dehors du milieu académique, la plus grande leçon que j’ai apprise est l’importance de persévérer et de communiquer ses objectifs et ses envies. Je n’ai jamais été l’étudiante idéale : je n’ai pas obtenu de mention au bac, et j’ai maintenu des résultats moyens pendant une bonne partie de mes études. Cependant, j’ai appris à m’entourer de bonnes personnes, à oser demander de l’aide et à solliciter des conseils auprès de mes professeurs ou de mentors.


Cette capacité à créer un réseau de soutien et à être proactive dans ma communication m’a été essentielle dans le monde académique, où la collaboration et les échanges jouent un rôle clé.


Une autre leçon précieuse que j’ai tirée de mes expériences personnelles est l’importance de l’adaptabilité. J’ai travaillé dans différents environnements, notamment comme technicienne en laboratoire, aide aux concours, hôtesse, serveuse etc... Ces expériences m’ont appris à m’adapter rapidement à de nouvelles équipes, à des protocoles variés et à des rythmes de travail différents. Cette flexibilité est aujourd’hui un atout majeur dans mes recherches mais aussi dans ma vie, où les priorités peuvent changer rapidement.

Astrochimie Alexia Simon

Enfin, j’ai également appris que l’échec n’est pas une fin en soi, mais une étape naturelle dans tout processus de développement. Ces expériences m’ont enseigné l’importance de la résilience et de la réflexion constructive. Chaque difficulté rencontrée m’a poussée à chercher des solutions, à m’améliorer et à évoluer, tant sur le plan professionnel que personnel.


Je suis reconnaissante pour le chemin que j’ai parcouru jusqu’à présent et pour toutes les opportunités qui m’ont permis d’apprendre, de grandir et de contribuer, à ma manière, à la compréhension de l’univers.


Si j’ai un message à partager, ce serait de ne jamais sous-estimer le pouvoir de la curiosité, de la persévérance et de ne jamais VOUS sous-estimer. Peu importe d’où vous partez ou les obstacles que vous rencontrez, osez rêver grand et demandez de l’aide lorsque vous en avez besoin. La vie est une aventure collective, et c’est en travaillant ensemble que nous avançons. Certaines personnes seront là pour vous aider, ça peut être dur mais elles existent. 


Enfin, je tiens à remercier toutes les personnes qui m’ont soutenue tout au long de ce parcours. Chaque étape m’a appris quelque chose de précieux, et j’espère pouvoir inspirer d’autres à suivre leurs passions et à explorer l’inconnu.


Contactez Alexia ici alexia.simon@cfa.harvard.edu (réponse sous 2 semaines)


Edité par Shyrin et Mazzarine


Alexia Simon : Voyage au cœur de l'astrochimie et de la formation des planètes


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