Interaction d'atomes et de molécules d'hydrogène avec des glaces d'eau à très basse température

Topic outline

  • Section publique

    Formation de H2 dans le milieu interstellaire

    Thèse doctorat 2006 FR

    Catégorie : Astrophysique

    Ecole doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)

    Auteur : Lionel Amiaud

    Directeur de thèse : sous la direction de Jean-Louis Lemaire

    Publication autorisée par le jury

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    Résumé : La physico-chimie et l'évolution des différents milieux qui constituent le milieu interstellaire dépendent étroitement de R2, son principal constituant moléculaire. En particulier, la connaissance incomplète du bilan énergétique et de l'efficacité de la réaction de formation d 'hydrogène moléculaire par catalyse hétérogène sur les grains de poussière est une source importante d'incertitude dans la description de la dynamique du milieu, notamment lors de la formation d'étoiles. L'étude de cette réaction et de ses sous-processus (collage et diffusion sur les grains, désorption) est abordée théoriquement et expérimentalement depuis plus de 40 ans. Cette thèse vise par une approche expérimentale à caractériser la réaction de formation d'hydrogène moléculaire à la surface des glaces d'eau. Elle s'articule autour du dispositif FORMOLISM. Ultravide, cryogénie, jets atomiques, spectrométrie de masse et spectroscopie UV sont réunis pour étudier en particulier les effets de l'hétérogénéité et de la porosité de la surface. L'étude de la désorption de l'hydrogène moléculaire s'est révélée indispensable à l'interprétation des expériences de formation. Nous avons mesuré les distributions d'énergies d'adsorption de H2, HD et D2. Ces mesures permettent d'estimer la quantité d'hydrogène moléculaire en surface des grains interstellaires. La présence d'hydrogène moléculaire modifie l'efficacité de la réaction. Un mécanisme de ségrégation isotopique a été mis en évidence et son importance pour la deutération de l'hydrogène moléculaire en surface des manteaux de glace a été étudiée. Les expériences sur la formation révèlent que sur les glaces poreuses l'énergie dégagée par la réaction est transmise à la surface par la rétention des molécules formées. La réaction reste efficace à des températures plus élevées (20 K) que sur les glaces non poreuses (13 K). Sur ces dernières, les molécules formées sont directement libérées en phase gazeuse où elles sont détectées dans des états rovibrationnellement excités.

    Résumé : The molecular hydrogen, a major component of the interstellar medium (ISM) is formed on dust grains through surface catalysis. This key reaction is a source of uncertainty in the description of the dynamic of the ISM, as weIl for the reaction efficiency and for its energy budget. This reaction and its sub-processes (sticking and diffusion on the grain surface, desorption) are studied here experimentally in the case of molecular hydrogen formation on water ice surfaces similar to those covering dust in the cold dense ISM. Ultra-high vacuum, cryogenies, atomic beams, mass spectrometry and UV spectroscopy are combined in the experimental setup named FÉURMüLISM. We have studied the effects of surface heterogeneity and porosity on the reaction. We have focused on molecular hydrogen desorption to improve the interpretation of formation experiments and because the molecular hydrogen adsorbed on grains modify the formation efficiency. Adsorption energies of R2, RD and D2 on these iees are obtained. A mechanism of isotopie segregation is highlighted and the deuteration of molecular hydrogen on ice mantles is quantified. The study of molecular formation reveals that on porous ices the reaction energy is released to the surface because of the efficient recapture of the formed molecules, and that the reaction is effective up to temperatures higher (20 K) than for nonporous ices (13 K). For these latter, the formed molecules are directly released into the gas phase where they are detected in rovibrationally excited states.

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