Astrochimie : la nature quantique des collisions eau-hydrogène révélée

Résultats scientifiques

Au cœur 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 de Planétologie et d’Astrophysique 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.

Le milieu interstellaire est caractérisé par des très faibles densités et des très basses températures pour lesquelles les lois de la thermodynamique classique nous inciteraient à penser qu’il ne se passe pas grand-chose, la matière étant dans son état d’énergie minimale. Ce milieu est pourtant le théâtre d’une chimie complexe et très riche à l’origine de la formation des étoiles et des planètes et qui interroge nombre de scientifiques. La théorie quantique prédit pour ces milieux des collisions inélastiques entre atomes 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 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.

 

Des chercheurs du CNRS 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, 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 et dans la même direction sans interagir entre elles. En jouant sur l’angle avec lequel ces faisceaux de D2O et H2 se croisent, les chercheurs peuvent directement moduler la vitesse relative 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 quantique permet de valider les modèles utilisés. Ces résultats, publiés dans Physical Review Letters, ouvrent la voie à l’observation des phénomènes quantiques dans des systèmes polyatomiques plus complexes et à la modélisation théorique plus précise des milieux interstellaires.

L’expérience et la théorie confirment la nature quantique des collisions inélastiques des molécules d’eau avec l’hydrogène. © Astrid Bergeat

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

Contact

Astrid Bergeat
Enseignante-chercheur, Institut des Sciences Moléculaires, CNRS/Université de Bordeaux
Alexandre Faure
Chercheur, Institut de Planétologie et d'Astrophysique de Grenoble, CNRS/Université de Grenoble
Laurent Wiesenfeld
Chercheur, Laboratoire Aimé Cotton, CNRS/Universite Paris-Saclay
Stéphanie Younès
Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS
Anne-Valérie Ruzette
Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS