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
-
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
Modélisation de la chimie de l'espace
En anglais
1. Présentation de la chimie de l'espace
La matière dans l'univers se trouve principalement dans les galaxies, lesquelles contiennent un grand nombre d'étoiles. Ce sont ces dernières qui illuminent notre ciel nocturne de mille lumières. Cependant, il existe aussi dans l'espace une grande quantité de matière froide et invisible à l'œil nu. En effet, les immenses étendues qui séparent les étoiles ne sont pas vides comme on l'a longtemps pensé. De fait, elles sont remplies d'un mélange de gaz, de poussières et de particules énergétiques et constituent ce que l'on appelle le milieu interstellaire qui représente 10 % de la masse totale de la matière d'une galaxie. Ce milieu, condensé en régions appelés « nuages » dans lesquels se concentrent le gaz et les poussières, est en interaction constante avec les étoiles qui y naissent, y vivent et y meurent.
Utilisant les différentes régions du spectre électromagnétique, les astronomes ont mesuré la composition du gaz et en partie de la poussière. Dans les nuages appelés diffus où la densité du gaz est de 10 à 1 000 particules par cm3 (à titre de comparaison, la densité de l'air que nous respirons est de l'ordre de 1019 particules par cm3) et les températures de 50 à 100 oK, la matière gazeuse est sondée par absorption optique avec comme source excitatrice les étoiles situées derrière le nuage. À partir des spectres obtenus, les astronomes ont pu déterminer que le gaz des nuages diffus est essentiellement atomique et neutre. Les abondances élémentaires de ce gaz sont proches de celles des étoiles où l'hydrogène domine, l'hélium a une concentration d'environ 10 % de celle de l'hydrogène et où le carbone, l'azote et l'oxygène (l'oxygène étant le plus abondant des trois) représentent 10–3 à 10–4 fois la densité de l'hydrogène. Parmi les bandes ultraviolettes observées en absorption dans ces nuages diffus et dont certaines sont attribuées à des molécules simples comme CH ou CN, il en existe des centaines d'autres, non identifiées, qu'on appelle les bandes diffuses interstellaires (DIBs pour Diffuse Interstellar Bands ). Ces bandes sont supposées êtres dues à de grosses molécules organiques « exotiques » (c'est-à-dire de structure chimique inhabituelle) présentes dans le gaz diffus. Il n'existe pas d'attributions satisfaisantes pour ces bandes ; des molécules comme...
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Présentation de la chimie de l'espace
BIBLIOGRAPHIE
-
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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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