Bibliographie & annexes
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En anglais
RÉSUMÉ
La compréhension de la chimie du milieu interstellaire, et par la même celle de l'origine des molécules qui y sont observées ainsi que leur interaction avec le grain, le rayonnement et les particules énergétiques, se fait au travers de modèles chimiques complexes qui prennent en compte plusieurs milliers de réactions couplées simulant des réactions connues ou postulées, compte tenu des observations et des différents environnements. La chimie computationnelle permet donc de comprendre comment la matière moléculaire interstellaire évolue chimiquement sous l'influence des interactions entre gaz, grains, photons et particules énergétiques (rayons cosmiques).
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The understanding of interstellar chemistry and thus that of the origin of the molecules observed as well as their interaction with the grain, radiation and the energetic particles is achieved through complex chemical models which take into account several thousands of coupled reactions simulating known or postulated reactions according to observations and various environments. The computational chemistry therefore allows for understanding how the interstellar molecular matter evolves chemically under the influence of interactions between gases, grains, photons and energetic particles (cosmic rays).
Auteur(s)
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Dahbia talbi : Directeur de recherche au CNRS
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Gaston berthier : Directeur de recherche au CNRS
INTRODUCTION
Le néologisme « computationnelle » qui figure en seconde position dans le titre de cet article (adapté de l'anglais courant computationnal), délimite un domaine de recherche très actif de nos jours. Les différentes méthodes de calcul de la chimie quantique y sont mises en œuvre sous forme de codes informatiques spécifiques en vue d'étudier les propriétés d'espèces chimiques variées (molécules libres ou incluses dans des agrégats, surfaces, solides, ou solutions), en relation aussi directe que possible avec des problèmes de structure ou de réactivité bien définis. La frontière séparant la réalité et la modélisation que l'on effectue varie selon le degré de complexité du phénomène étudié et la précision des théories que l'on emploie pour en réaliser une simulation sur ordinateur. L'éventail des grandeurs énergétiques et structurales et des propriétés spectroscopiques ou magnétiques susceptibles d'être calculées est large. La chimie computationnelle permet en outre d'aborder des problèmes de réactivité chimique grâce à l'évaluation des sections efficaces de collisions donc des constantes de vitesses. En ce qui concerne la chimie spatiale, pour laquelle les expériences de laboratoire pertinentes ne sont pas toujours réalisables, car trop onéreuses par rapport à un calcul, les méthodes actuelles de la chimie théorique font de la chimie computationnelle un outil puissant parfois incontournable pour l'étude de la chimie de l'espace. Elle s'applique à des milieux aussi divers que l'espace interstellaire, les atmosphères d'étoiles, celles des planètes, les comètes, les météorites..., et ce, tant sur le plan des observations (identification de nouvelles molécules) que sur le plan de la réactivité chimique (formation et destruction des molécules de l'espace). C'est l'objet du présent article.
Les méthodes de calcul utilisées pour traiter ces problèmes sont pour l'essentiel celle de la chimie théorique. Nous ne les développerons pas ici, car elles ont dejà fait l'objet d'un article et le lecteur intéressé pourra s'y référer pour de plus amples informations. Il pourra aussi consulter le très pédagogique ouvrage de J.L. Rivail (voir le Pour en savoir plus). Disons seulement que ces méthodes (théorie du champ self-consistant, interaction de configuration, théorie de la perturbation, théorie des fonctionnelles de la densité) s'inspirent du traitement du problème à N corps en mécanique quantique. Elles permettent aujourd'hui d'évaluer sur ordinateur, avec une bonne précision, les énergies électroniques et vibrationnelles des molécules de l'espace, ainsi que leurs caractéristiques physico-chimiques.
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Chimie computationnelle pour la compréhension de la chimie de l'espace
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2. Modélisation de la chimie de l'espace
Comprendre donc comment toute cette matière moléculaire interstellaire évolue chimiquement sous l'influence des interactions entre gaz, grains, photons et particules énergétiques (rayons cosmiques) est une discipline à part entière : l'astrochimie. Elle rassemble des astronomes, des chimistes (expérimentateurs et théoriciens) et des physiciens (spécialistes de l'atome, des molécules et des solides). Avec le perfectionnement des moyens de détection spatiale, on découvre de plus en plus de molécules dans des objets astrophysiques très variés (enveloppes d'étoiles, milieu interstellaire, atmosphères de planètes, queues de comètes). Expliquer cette chimie devient donc un enjeu majeur car cette dernière reflète les conditions physiques (densités de matière, températures, âge) des objets astrophysiques où ces molécules sont observées, faisant de la modélisation chimique spatiale un outil puissant pour l'étude de la physique des environnements de l'espace.
La compréhension de la chimie du milieu interstellaire, et par la même celle de l'origine des molécules qui y sont observées et leur interaction avec le grain, le rayonnement et les particules énergétiques, se fait au travers de modèles chimiques complexes qui prennent en compte plusieurs milliers de réactions couplées simulant des réactions connues ou postulées, compte tenu des observations et des différents environnements. Les réactions chimiques de la phase gazeuse sont les plus étudiées, mais on se rend compte de plus en plus que la chimie sur les grains et les glaces interstellaires est d'une importance capitale. Beaucoup plus difficile à comprendre et à modéliser, cette dernière suscite de plus en plus d'études tant théoriques qu'expérimentales.
Signalons que cette approche de la chimie à partir de modèles chimiques et sur la base de calculs de chimie théorique n'est pas propre à l'espace. De la même façon, il existe par exemple des modèles de chimie de combustion. Ces modèles avec comme support la chimie computationnelle sont nécessaires pour comprendre quelles sont les molécules susceptibles de se former dans les flammes ou les plasmas de combustion (réacteurs) et comment elles vont interagir avec l'environnement (parois). Il s'agit de simuler sur ordinateur les processus de refroidissement du milieu ou au contraire de réchauffement quand ils sont dus aux interactions entre molécules et particules formées dans ces plasmas, et permettent donc de comprendre toutes sortes de comportements chimiques...
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Modélisation de la chimie de l'espace
BIBLIOGRAPHIE
-
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(5) - TALBI (D.) - An extensive ab initio study of a process of astrophysical interest : the
reaction. - Chemical Physics Letters, 321, p. 291-298 (1999).
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