Astrochimie: la nature quantique des collisions eau-hydrogène révélée

Publié par Redbran le 10/11/2020 à 13:00
Source: CNRS INC
Au coeur du milieu interstellaire, à très basse température, molécules d'eau et d'hydrogène entrent régulièrement en collisions dites "inélastiques". Pour mieux les comprendre, des chercheurs du Laboratoire Aimé Cotton, de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de Planétologie (La planétologie est la science de l'étude des planètes. La discipline recouvre de nombreuses...) et d'Astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) de Grenoble et de l'Institut des Sciences Moléculaires ont étudié théoriquement et observé expérimentalement des collisions dans des conditions proches de celles de ces milieux. Ces résultats, publiés dans la revue Physical Review Letters, mettent en évidence la nature quantique de ces collisions et valident les méthodes théoriques utilisées pour la modélisation des milieux interstellaires.


L'expérience et la théorie confirment la nature quantique des collisions inélastiques des molécules d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) avec l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.).
© Astrid Bergeat

Le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre...) est caractérisé par des très faibles densités et des très basses températures pour lesquelles les lois de la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...) classique nous inciteraient à penser qu'il ne se passe pas grand-chose, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) étant dans son état d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) minimale. Ce milieu est pourtant le théâtre d'une chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) complexe et très riche à l'origine de la formation des étoiles et des planètes et qui interroge nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de scientifiques. La théorie quantique prédit pour ces milieux des collisions inélastiques entre atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) et molécules qui s'accompagnent de changements des états d'énergie. Plus précisément, le phénomène de résonances se manifeste par une forte augmentation des probabilités d'excitation, l'énergie de la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) étant communiquée à l'un des partenaires. De nombreux travaux théoriques cherchent à modéliser et prédire ces phénomènes. La confrontation à l'expérience reste cependant très compliquée car ils ne se manifestent qu'à très basse énergie de collision, correspondant à des températures de l'ordre de quelques Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par...).

Des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) et des Universités de Bordeaux, Paris-Saclay et Grenoble ont pourtant réussi à observer de telles résonances dans des collisions inélastiques entre l'hydrogène moléculaire (H2) et de l'eau lourde (L'eau lourde est de l’oxyde de deutérium (formule : D2O ou ²H2O)....), eau dont les atomes d'hydrogène ont été remplacés par du deuterium (D2O). Pour ce faire, ils ont utilisé des faisceaux moléculaires dans lesquels les molécules se déplacent toutes à la même vitesse (On distingue :) et dans la même direction sans interagir entre elles. En jouant sur l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) avec lequel ces faisceaux de D2O et H2 se croisent, les chercheurs peuvent directement moduler la vitesse relative (L'expression vitesse relative est communément utilisée, pour exprimer la différence...) des molécules et donc l'énergie avec laquelle elles entrent en collision. Pour des angles très faibles, cette énergie se rapproche de l'énergie de collision rencontrée dans le milieu interstellaire et les résonnances attendues ont pu être observées. L'accord parfait entre ces déterminations expérimentales et les calculs théoriques obtenus par dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) quantique permet de valider les modèles utilisés. Ces résultats, publiés dans Physical Review Letters, ouvrent la voie à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) des phénomènes quantiques dans des systèmes polyatomiques plus complexes et à la modélisation théorique plus précise des milieux interstellaires.

Référence:
A. Bergeat, S. B. Morales, C. Naulin, L. Wiesenfeld et A. Faure, Probing low-energy resonances in water-hydrogen inelastic collisions, Phys. Rev. Letters. 125 (2020) 143402.
DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.143402

Contacts:
- Astrid Bergeat - chercheuse, Institut des Sciences Moléculaires, CNRS/Université de Bordeaux - astrid.bergeat at u-bordeaux.fr
- Christian Naulin - christian.naulin at u-bordeaux.fr
- Alexandre Faure - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...), Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, CNRS/Université de Grenoble - alexandre.faure at univ-grenoble-alpes.fr
- Laurent Wiesenfeld - Chercheur, Laboratoire Aimé Cotton (Aimé Auguste Cotton est un physicien, né à Bourg-en-Bresse en 1869, et mort à Sèvres en 1951....), CNRS/Universite Paris-Saclay - laurent.wiesenfeld at u-psud.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) - Institut de chimie du CNRS -inc.communication at cnrs.fr
- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
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