Excitation et chimie des hydrures interstellaires – HYDRIDES
HYDRIDES
Excitation et chimie des hydrures interstellaires
Objectives
Entre 2010 et 2013, l’observatoire spatial infra-rouge Herschel de l’Agence Spatiale<br />Européenne a cartographié les hydrures1 interstellaires avec une résolution spectrale et une<br />sensibilité sans précédent. L’analyse fine de tels spectres a pour prérequis la connaissance des<br />taux de collision des hydrures par H, H2 et les électrons. Avant 2013, des données<br />collisionnelles précises pour des hydrures étaient disponibles pour seulement deux espèces :<br />HF et H2O. Pour quelques autres hydrures, les calculs utilisaient l’atome d’hélium comme<br />substitut à H2, par simplicité. Or, des différences collisionnelles significatives existent entre He,<br />H et H2. En outre, toutes les études précédentes avaient été menées dans le cadre de<br />l’approximation des rotateurs rigides. Cette approximation est discutable dans le cas d’ions ou<br />de radicaux car les voies réactives avec H ou H2 peuvent jouer un rôle, même à basse<br />température. Les trois principaux objectifs de notre projet HYDRIDES (2013-2017) étaient i)<br />d’aborder l’excitation collisionnelle de radicaux et ions hydrures avec les meilleurs outils<br />théoriques ii) de comparer la théorie à l’expérience au niveau état-à-état et iii) d’évaluer l’impact des nouveaux taux de collision sur des modèles de transfert de rayonnement et de<br />comparer les prédictions aux observations.
Notre projet était composé de 3 tâches principales : la première tâche concernait le calcul des
sections efficaces et taux de collision pour les hydrures détectés dans le milieu interstellaire.
Pour mener ces calculs nous avons massivement utilisé la méthode de dynamique quantique
dite close-coupling combinée aux meilleures surfaces d’énergie potentielle disponibles. La
seconde tâche était consacrée aux mesures de laboratoire et à la comparaison entre théorie et
expériences, à basse température et résolues d'état-à-état. Les techniques complémentaires de
double résonance (en écoulements froids) et de faisceaux moléculaires croisés ont été mises en
oeuvre dans ce but. La troisième tâche s’est concentrée sur l’impact des données collisionnelles
dans des modèles réalistes de transfert radiatif. Nous avons pour cela simulé les spectres
observationnels à l’aide d’approches standards (probabilité d’échappement) et sophistiquées
(méthodes itératives non-locales). En parallèle de ces trois tâches, nous avons développé un
réseau astrochimique en phase-gaz distinguant les états de spin nucléaire des hydrures
interstellaires.
Des données collisionnelles précises (avec H, H2 ou les électrons) sont aujourd’hui
disponibles pour une douzaine d’hydrures (sans compter les isotopologues), y compris
des espèces très réactives comme CH+.
2. Des comparaisons théorie/expérience état-à-état pour les systèmes de référence CO+H2
et H2O+H2 ont permis de valider dans le détail la grande précision des calculs quantiques
dans le régime froid interstellaire (< -260 oC), proche du zéro absolu.
3. Nous avons reproduit pour la première fois quantitativement les spectres en émission
des ions CH+ et OH+ mesurés par le satellite Herschel dans des régions de
photodissociation.
4. Nous avons expliqué les rapports ortho-sur-para « anormaux » (hors équilibre) des
hydrures d’azote NH2 et NH3 mesurés dans le milieu interstellaire. Ce développement,
non prévu initialement, a ouvert la voie à l’astrochimie des spins nucléaires.
Les différents résultats du projet HYDRIDES placent nos laboratoires au premier plan des études d'excitation moléculaire pour l'astrophysique. Le prochain défi est d'étendre nos calculs à des systèmes réactifs tetra-atomiques, penta-atomiques et de plus grande taille tels que CH+ + H2 et H2O+ + H2. La surface d'énergie potentielle CH3+ a été récemment determinée à Bordeaux mais les calculs de dynamique sont actuellement possible uniquement avec des méthodes approchées (statistiques ou classiques) à cause du coût numérique des calculs close-coupling. Ces méthodes alternatives doivent maintenant être testées. Enfin, outre leur rôle dans le transfert d'énergie moléculaire, de telles collisions réactives (impliquant des échanges d'atomes d'hydrogène) sont cruciales pour modéliser la chimie des spins nucléaires des hydrures et pour prédire des rapports ortho/para fiables.
Toutes les publications et les thèses soutenues sont disponibles ici :
ipag.osug.fr/Hydrides/
Les hydrures jouent un rôle central en astrophysique moléculaire comme réservoir significatif d'éléments lourds. L'étude de l'excitation des hydrures interstellaires nécessitent une attention particulière car les processus réactifs, négligeable à basse température pour la plupart des molécules, sont en compétition voire dominent les processus de transfert d'énergie. L'objectif du présent projet inter-disciplinaire est d'aborder ce problème difficile du point de vue théorique et expérimental. Les espèces ciblées sont les hydrures légers diatomiques composés de carbone, azote et oxygène, lesquels représentent les briques de base de l'ensemble de la chimie interstellaire. Outre la production de données moléculaires fondamentales, l'analyse de spectres astronomiques sera réalisée à l'aide de modèles couplant transfert radiatif et chimie. De telles études ont été jusqu'ici empêchées par l'absence de sections efficaces et taux de collision d'état-à-état précis. Un fort impact du présent projet est ainsi attendu à la fois en sciences moléculaires et en astrochimie.
Coordination du projet
Alexandre FAURE (Insitut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble) – afaure@obs.ujf-grenoble.fr
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
IPR Institut de Physique de Rennes
IPAG Insitut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble
ISM Institut des Sciences Moléculaires
LOMC Laboratoire Ondes et Milieux Cmplexes
Aide de l'ANR 639 757 euros
Début et durée du projet scientifique :
décembre 2012
- 48 Mois
