Bibliographie & annexes
Présentation
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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Présentation de la chimie de l'espace
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4. Perspectives
À travers les trois exemples présentés ci-dessus nous avons essayé de montrer quelles réponses la chimie computationnelle pouvait apporter aux grandes questions de la chimie de l'espace. Par ailleurs, la précision atteinte de nos jours par les méthodes de calcul de la chimie quantique dans le domaine des observables moléculaires rend suffisamment fiables ces méthodes pour qu'elles puissent être utilisées, non seulement pour l'interprétation de résultats d'observations déjà connues dans le cadre des théories existantes, mais aussi pour la prédiction des résultats d'observations non encore réalisées et cela quelquefois à moindre prix. C'est particulièrement vrai dans le domaine de l'astrochimie où il n'est pas toujours possible d'entreprendre les expériences de laboratoire correspondantes en raison des conditions extrêmes de température et de pression qui règnent dans les milieux interstellaires, ainsi que des espèces mises en jeu. Les calculs de signatures spectrales sont devenus suffisamment précis pour simuler des observations avant de les réaliser, et les études théoriques de la réactivité astrochimique contribuent à faire évoluer les modèles astrochimiques, nécessaires à la compréhension de la physique des objets où sont observées les molécules et où se produit leur chimie. L'idée que la chimie quantique a atteint un niveau de fiabilité acceptable pour tout ce qui est de la modélisation des phénomènes astro-physico-chimiques de la phase gazeuse est maintenant acceptée .
Il est cependant utile d'insister sur le fait que les outils de la chimie théorique permettent déjà de s'attaquer à des problèmes de réactivité chimique pour des processus mettant en jeu les poussières et les glaces de l'espace (formation de H2 et de molécules complexes, etc.) et à des problèmes d'interprétation de résultats de spectroscopie d'observation (déplacement des raies infrarouges d'une molécule adsorbée sur un grain ou de la glace). Ce domaine d'application devrait conduire,...
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Perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WOODALL (J.), AGÙNDEZ (M.), MARKWICK-KEMPER (A.J.), MILLAR (T.J.) - The UMIST database for astrochemistry 2006. - Astronomy and Astrophysics, 466, p. 1197-1204 (2007).
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(2) - DUPEYRAT (G.), MARQUETTE (J.B.), ROWE (B.R.) - Design and testing of axisymmetric nozzles for ion molecule reaction studies between 20 K and 160 K. - Physics of Fluids, 28, p. 1273-1279 (1985).
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(3) - WEINAN (E.), ENGQUIST (B.) - Multiscale Modeling and computation. - Notices of the AMS, 50, p. 1062-1070 (2003).
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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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