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Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5)
Edition 2012


HYDRIDES


Excitation et chimie des hydrures interstellaires

HYDRIDES
Excitation et chimie des hydrures interstellaires

Objectives
Entre 2010 et 2013, l’observatoire spatial infra-rouge Herschel de l’Agence Spatiale
Européenne a cartographié les hydrures1 interstellaires avec une résolution spectrale et une
sensibilité sans précédent. L’analyse fine de tels spectres a pour prérequis la connaissance des
taux de collision des hydrures par H, H2 et les électrons. Avant 2013, des données
collisionnelles précises pour des hydrures étaient disponibles pour seulement deux espèces :
HF et H2O. Pour quelques autres hydrures, les calculs utilisaient l’atome d’hélium comme
substitut à H2, par simplicité. Or, des différences collisionnelles significatives existent entre He,
H et H2. En outre, toutes les études précédentes avaient été menées dans le cadre de
l’approximation des rotateurs rigides. Cette approximation est discutable dans le cas d’ions ou
de radicaux car les voies réactives avec H ou H2 peuvent jouer un rôle, même à basse
température. Les trois principaux objectifs de notre projet HYDRIDES (2013-2017) étaient i)
d’aborder l’excitation collisionnelle de radicaux et ions hydrures avec les meilleurs outils
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
comparer les prédictions aux observations.

Méthodes
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.

Résultats

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.

Perspectives

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.

Productions scientifiques et brevets

Toutes les publications et les thèses soutenues sont disponibles ici :

http://ipag.osug.fr/Hydrides/

Partenaires

IPAG Insitut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble

IPR Institut de Physique de Rennes

ISM Institut des Sciences Moléculaires

LOMC Laboratoire Ondes et Milieux Cmplexes

Aide de l'ANR 639 757 euros
Début et durée du projet scientifique janvier 2013 - 48 mois

Résumé de soumission

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.

 

Programme ANR : Blanc - SIMI 5 - Physique subatomique et théories associées, astrophysique, astronomie et planétologie (Blanc SIMI 5) 2012

Référence projet : ANR-12-BS05-0011

Coordinateur du projet :
Monsieur Alexandre FAURE (Insitut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble)
afaure@nullobs.ujf-grenoble.fr

Site internet du projet : http://ipag.osug.fr/Hydrides

 

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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.