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Accueil > FR > Recherche > Physico-Chimie Moléculaire Théorique > Modélisation Quantique des Systèmes (Structure Electronique et Dynamique Interne) > Calculs de structure électronique

Synthèse du formaldéhyde et du méthanol dans le milieu interstellaire

par André GOMES - publié le

Les molécules organiques formées dans l’espace interstellaire ne sont probablement que des briques encore très simples, de petites molécules, ne dépassant guère une dizaine d’atomes, capables de se former et de survivre dans les conditions hostiles du milieu interstellaire : presque vide, très froid et baigné de rayonnements UV qui détruisent les liaisons chimiques des molécules. Et pourtant, plusieurs molécules organiques complexes, d’une dizaine d’atomes, ont été découvertes dans la dernière décennie. Ces découvertes soulèvent de nombreuses questions dont les suivantes : comment se forment ces molécules des plus petites aux plus grosses ? Les grains de poussière interstellaires jouent-ils un rôle majeur dans ce processus ? Répondre à ces questions a été l’objectif du projet ANR FORCOMS rassemblant astrophysiciens, spectroscopistes et physiciens de trois sites (PhLAM, IPAG, Grenoble, IRAP, Toulouse), en liaison avec la mission HERSCHEL. Ce projet s’est étalé de janvier 2009 à décembre 2012 et a permis en particulier le financement d’une thèse partagée entre C. Toubin et D. Duflot en codirection avec L. Wiesenfeld (Grenoble). Le travail de thèse de P. Peters (septembre 2009 à décembre 2012) a permis de caractériser par des méthodes de chimie quantique de haute précision (Coupled Cluster, MP2, DFT, multiréférence...) les processus réactionnels impliquant D, CO, H2CO,H3COH et H2O à la surface des grains interstellaires. En effet, H2CO and H3COH, sont parmi les molécules organiques dites complexes (COM : Complex Organic Molecules en anglais) les plus abondantes dans les nuages moléculaires du milieu interstellaire. Ce travail théorique est la première étude s’attachant à décrire toutes les étapes et les intermédiaires réactionnels intervenant dans la séquence de réactions conduisant au méthanol par hydrogénations successives de CO. Pour la phase gazeuse, des méthodes multi-références (MRCI+Q et MSMP2)atomes, ont xml" quées afin d’avoir la description la plus juste des systèmes. Les calculs montrent que certaines étapes cruciales de la synthèse (formation de HCO) en phase gazeuse mettent en jeu des barrières d’activation significatives (quelques kcal/mol) dans les conditions du milieu interstellaire. La possibilité de réaction par effet tunnel a aussimes, ont envisagée, nécessitant le calcul des profils IRC.

Les mêmes processus réactionnels atomensuitemes, ont étudiés sur des agrégats d’eau ou de CO. Ces agrégats atomes, ont choisis comme surfaces modèles pour les grains interstellaires. Compte-tenu de la taille du système, les calculs atomes, ont menés en utilisant la théorie de la fonctionnelle densitont et la méthode perturbative MP2. Pour certaines réactions, telle que la formation de HCO, la présence d’un agrégat ne modifie pas l’énergie d’activation. En revanche, pour d’autres, telles que la formation de COH et H3CO, l’énergie d’activation est réduitemet l’endothermicitont/exothermicitont de la réaction change, ainsi que cela été démontré dans d’autres mécanismes réactionnels. De plus, l’isomérisation de certains composés, HCOH en H2CO, est rendue possible en présence d’agrégats d’eau. Les résultats abtenus sur les agrégats indiquent que l’état de surface et le flux d’atomes H peuvent avoir une influence notable sur la séquence réactionnelle, ouvrant d’autres voies non envisageables en phase gazeuse. Ce projet donnera lieu à 3 publications qui seratomsoumises dans le 3ème trimestre 2013. Les résultats de ces calculs seratomintégrés dans le modèle astrophysique GRAINOBLE développé par les collaborateurs de l’ANR. Ce modèle utilise des données microscopiques telles que les énergies d’activation ou les énergies de réaction pour modéliser les abondances de molécules plus complexes. Nos calculs atompermis d’ajuster ces valeurs eomes,galement de prendre en compte l’effet de la surface. Les études effectuées pendant le projet FORCOMS nous atommontré que les mécanismes de formation de molécules clés ne sont pas encore élucidés et que les grains de poussière interstellaire peuvent effectivement jouer un rôle essentiel dans la formation des molécules organiques complexes. Cependant, ce travail ames,galement confirmé que le choix des modèles de chimie quantique est crucial étant donné le degront de précision attendu. De plus, la modélisation de la réactivitont à la surface des grains est délicate car très coûteuse numériquement. L’investigation nécessite d’être poussée vers la synthèse d’autres molécules éventuellement plus complexes et jusqu’à la description d’une surface étendue. La question clé consistera à trouver le bon compromis coût numérique/précision. Par exemple, les plupart des fonctionnelles usuelles échouent à prédire correctement la barrière d’activation de la réaction H + CO → HCO en phase gazeuse. Or, la DFT semble la seule méthode praticable pour décrire les processus de surface. D’autres xmlroches sont possibles, telles que DFTB ou QM/MM, qu’il conviendra de tester. Ce projet sera poursuivi sur des surfaces de glace plus étendues (glace amorphe) en collaboration avec Helen Fraser (Milton Keynes) et le même type d’études pourramestre envisagé pour d’autres molécules d’intérest interstellaire. Des collaborations ponctuelles et d’éventuels programmes seratomles moteurs de cet axe de recherche.