Explorer la Chimie et Spectroscopie des Anions Cosmiques – Anion Cos Chem

Le volet expérimental repose sur l’association d’écoulements supersoniques uniformes axisymétrique et planaire à des sources d’ions et des techniques de détection (spectrométrie de masse et spectroscopie d'absorption ultrasensible) afin de (1) acquérir et analyser, avec un appui théorique, les spectres d’anions carbonés qui seront utilisés pour effectuer des recherches astronomiques, (2) déterminer les coefficients de vitesse et les rapports de branchement de réactions sélectionnées impliquant divers anions carbonés, ainsi que leur dépendance en température de 20 à 300 K.

Le volet théorique se décline en deux grands axes de recherche. Il s’agit d’une part d’étudier les collisions réactives d’anions carbonés avec divers composés, abondants dans le milieu interstellaire par des méthodes modernes de physique quantique. Le second axe consiste à investiguer les collisions non-réactives des anions et de leurs précurseurs, avec H2 à l’aide de méthodes de physique/chimie quantique pour la surface d'énergie potentielle et la dynamique. Les taux d’excitation dérivés sont essentiels à l’analyse des observations astronomiques des anions et leurs précurseurs qui viennent compléter le projet.

Un instrument combinant une source d’ions sélective en masse et un écoulement supersonique a été développé pour étudier la réactivité des ions à basse température. En parallèle, nous avons conçu une source d’ions constituée par un plasma en expansion planaire, ainsi qu’un spectromètre haute sensibilité et résolution pour l’étude du spectre VIS- proche IR d’anions. Un autre résultat majeur concerne les calculs de taux de collisions pour les anions et les molécules neutres associées. Nous avons ainsi étudié les collisions impliquant les anions interstellaires C4H-, C6H- et C3N- avec He et H2. Une méthode originale de calcul du taux d’attachement électronique radiatif a enfin été développée et appliquée aux anions détectés ainsi que plus largement aux chaînes carbonées. Les résultats obtenus montrent que l’attachement électronique radiatif ne peut expliquer la formation des anions dans le milieu interstellaire.

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Les développements instrumentaux ouvrent la voie à de nombreux travaux collaboratifs. Du point de vue théorique un code de calcul des taux d’attachement électronique radiatif a été développé et pourra être appliqué à de nombreux systèmes. Jusqu’à présent, nos recherches ont conduit à 2 publications multi-partenaires et 17 mono-partenaires dans des journaux de physico-chimie et d’astrophysique. Les données de collisions et de réactions ont été mises à la disposition de la communauté à travers les bases de données existantes. Une utilisation des données de collisions pour des modèles chimiques des enveloppes circumstellaires est en cours.

Notre connaissance de la richesse moléculaire du milieu interstellaire s’est récemment accrue avec la détection des anions, tous de la famille des chaînes carbonées linéaires. Bien que moins abondants que les neutres, leur présence affecte la densité des électrons libres, qui contrôle la vitesse d’effondrement des nuages, et ainsi la formation stellaire. Des études récentes suggèrent que les anions sont sensibles aux abondances des atomes C, H et O, et à la déplétion moléculaire, ce qui pourrait en faire d’excellents traceurs des conditions physiques et chimiques. Par ailleurs, les collisions réactives avec les anions pourraient constituer un chemin unique vers des espèces plus lourdes. Pourtant, la physico-chimie des anions est mal connue et des familles entières d’anions échappent à la détection en raison de l’absence de moment dipolaire.

Pour traiter cette problématique, 4 équipes de recherche internationalement reconnues se sont associées et proposent de combiner observations astronomiques, calculs théoriques et expériences selon 4 axes :

1) Spectroscopie infrarouge à haute résolution de chaînes carbonées Cx- (x=3, 4) produites dans un plasma et détendues dans un écoulement supersonique planaire. Les mesures seront réalisées par spectroscopie d’absorption ultrasensible par cavité haute finesse, et l’analyse effectuée à l’aide de calculs corrélés ab initio. Les données spectrales seront ensuite utilisées pour rechercher ces espèces dans IRC+10216 et d’autres sources.

2) Réactivité des anions à basse température. Les réactions de CxH- (x=2,4), Cx- (x=3,4) et CxN- (x=1,3) avec les atomes H, C, N et O, constituants abondants, seront étudiées théoriquement. Une étude systématique des constantes de vitesse et des rapports de branchements sera effectuée. Ces réactions serviront de modèles pour les systèmes plus complexes. Les réactions de ces anions avec des molécules lourdes peuvent contribuer à l’augmentation de taille des anions. En combinant un écoulement supersonique uniforme à une nouvelle source sélective d’ions, nous étudierons la cinétique et les rapports de branchements des réactions de CxH- (x=2,4) et CxN- (x=1,3) mais aussi Cx- (x=2,3,4,5), potentiellement présents dans l’Univers, avec la molécule HC3N, très abondante dans IRC+10216. Ces études expérimentales seront associées à des études théoriques.

3) Collisions inélastiques de H2 avec CxH- et CxN-. Les collisions entre H2 et leurs analogues neutres seront aussi étudiées car leurs abondances sont fortement liées. Les collisions de H2 avec C3- et C3 seront traitées si C3- est détecté durant la conduite de ce projet. La validité des seules estimations disponibles par des méthodes statistiques des taux de production des anions par attachement électronique radiatif sera aussi testée en étudiant les collisions d’électron avec les molécules C2H et C3. Les méthodes les plus précises disponibles actuellement seront utilisées pour traiter ces systèmes. L’excitation des anions pour différentes conditions physiques sera aussi étudiée et un code de transfert radiatif sera utilisé pour proposer à la communauté astrophysique une modélisation du transfert radiatif. L’ensemble des résultats obtenus permettra de mieux déterminer l’abondance de ces anions dans IRC+10216 et TMC-1.

4) Améliorations des réseaux astrochimiques. Pour une majorité des réactions présentes dans ces réseaux, il n’existe aucune donnée, non seulement pour les constantes de vitesse, mais aussi pour les rapports de branchements, qui sont la plupart du temps choisis arbitrairement, entraînant une grande imprécision des modèles. Les nouvelles données, expérimentales et théoriques seront implémentées dans les modèles décrivant la chimie des nuages denses et celle d’IRC+10216. Parallèlement nous proposons d’utiliser ALMA pour cartographier à haute résolution la distribution spatiale des anions déjà identifiés, ainsi que les espèces neutres associées, dans différentes sources dont IRC+10216.