Excitation collisionnelle des molécules interstellaires : vers une nouvelle approche statistique

Collisional excitation of interstellar molecules : towards a new statistical approach

• Auteur / Autrice : Benjamin Desrousseaux
• Direction : François Lique
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/11/2022
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Lique, Evelyne Roueff, Alexandra Viel, Javier Goicoechea
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Octavio Roncero, Millard Henry Alexander
• DOI : 10.70675/6cf7531ezd882z4730z8d74z07e4fe55e204

Mots clés

Mots clés contrôlés

Excitation par collisions

Matière interstellaire

Mots clés libres

Milieu interstellaire

Excitation collisionnelle

Approche statistique

Interstellar medium

Collisional excitation

Statistical approach

Résumé

Les spectres moléculaires sont notre principale source de connaissances à propos du milieu interstellaire. Dans cet environnement, les densités sont généralement faibles et la fréquence des collisions n’y est pas suffisante pour maintenir un équilibre thermodynamique local. Il est donc nécessaire de prendre en compte à la fois les processus collisionnels et radiatifs pour correctement interpréter les spectres moléculaires. Les taux de collision d’état à état décrivant l’excitation collisionnelle des espèces interstellaires avec les partenaires de collision prédominants (H₂, H, He) sont donc essentiels. Les calculs quantiques indépendants du temps close-coupling sont la méthode de choix pour obtenir des taux de collision précis aux faibles températures interstellaires (< 100 K). En revanche, dans le cas de systèmes lourds ou réactifs, cette méthode est inexploitable du fait de ses besoins en mémoire et temps de calcul. Dès lors, des données collisionnelles fiables sont manquantes pour de nombreuses molécules pourtant détéctées et considérées comme clef pour l’astrochimie. Tout en explorant ces limites, j’ai fourni des taux de collision pour six systèmes collisionnels : PN—H₂, CF⁺—H₂, HF—H, HD—H, HeH⁺—H, et HD—H⁺. En parallèle, j’ai contribué au dévelopement d’une nouvelle approche statistique qui permet de dépasser les limites actuelles et j’ai développé un nouveau code open-source implémentant cette nouvelle approche.

Our main knowledge about interstellar environments relies on molecular spectra. In such environments, the density is usually low and the frequency of collisions not large enough to maintain a local thermodynamic equilibrium. It is then necessary to take into account both collisional and radiative processes in order to properly interpret molecular spectra. State-to-state rate coefficients describing the collisional (de)excitation of interstellar species with the main collisional partners (H₂, H, He) are then essential. Full quantum time-independent close-coupling calculations is the method of choice to obtain accurate collisional rate coefficients at typically low interstellar temperatures (< 100 K). However, in the case of reactive or heavy collisional systems, this method is impractical due to its memory and CPU requirements. As a result, reliable collisional data is missing for many detected molecules of key importance in astrochemistry. Exploring those limits, new rate coefficients were computed for six collisional systems: PN—H₂, CF⁺—H₂, HF—H, HD—H, HeH⁺—H, and HD—H⁺. In parallel, I contributed to the development of a new statistical approach overcoming the current limitations and developed an open-source code implementing this promising approach.