Mieux comprendre les collisions moléculaires au cœur des nuages interstellaires

Une expérience réalisée à Rennes éclaire ce qu'il se passe dans les nuages interstellaires, là où naissent les étoiles. L'échange d'énergie lors des collisions entre les molécules de monoxyde de carbone et de dihydrogène a été mesuré aux températures très basses de ces nuages moléculaires denses. C'est une première. Cette étude internationale associe les universités de Rennes 1, Grenoble, Bordeaux et le CNRS. Publication mise en avant dans Physical Review A (23 fév. 2022)
Ian Sims et le dispositif expérimental de l'Institut de physique de Rennes utilisé pour cette publication - Photo N. Guillas

Des collisions indispensables à la naissance des étoiles

Connaître la densité des molécules de CO (monoxyde de carbone) dans l'espace est une information clef pour les astrophysiciens. En observant la présence de ces molécules, les plus abondantes du cosmos après l'hydrogène (H2), ils cartographient l'univers et ses nuages interstellaires. Dans ces régions du ciel, les molécules de CO sont un réservoir de carbone. Elles sont un ingrédient indispensable pour permettre l'effondrement gravitationnel, d'où naissent les étoiles.

La théorie à l'épreuve de l'expérience

Les grands radiotélescopes, comme ALMA au Chili, détectent les signaux émis par CO, de l'ordre de quelques centaines de gigahertz (micro-ondes).
 

© ESO/C. Malin via Wikimedia Commons

Mais mesurer l'intensité de ce rayonnement électromagnétique ne permet pas d'en déduire l'abondance de CO. Il faut aussi prendre en compte les collisions avec H2. Jusqu'à présent, ces chocs et leurs transferts d'énergie étaient évalués uniquement grâce aux calculs théoriques. Une expérience au laboratoire, dont les résultats sont publiés dans la revue scientifique Physical Review A, vient de valider ces données collisionnelles sur lesquels les astrophysiciens se basent.

Prouesse expérimentale

Réalisée à l'Université de Rennes 1, l'expérience a consisté à reproduire les collisions entre CO et H2 dans les conditions des nuages moléculaires denses, aux températures proches du zéro absolu (zéro Kelvin soit -273,15 ° C). Cette prouesse a été rendue possible par la technique CRESU, une spécificité du département de physique moléculaire de l'Institut de physique de Rennes (Université de Rennes 1/CNRS). À l'intérieur d'un tube géant, dans un écoulement d'une température entre 5 et 20 Kelvin, cette technique permet de refroidir les molécules à l'extrême, tout en les conservant en phase gazeuse afin d'observer leurs collisions.

L'effet des collisions mesuré pour la première fois

C'est la rotation de la molécule CO sur elle-même qui intéresse les astrophysiciens expérimentaux. Chaque molécule perd naturellement de l'énergie quand elle change d'état quantique de rotation : elle libère un photon à une fréquence précise. Mais ces molécules de CO ne sont pas seules dans l'univers : elles sont percutées par les molécules de H2, plus de 10 000 fois plus nombreuses que CO dans les nuages moléculaires. C'est l'effet de ces chocs quasi-permanents qui a été observé et quantifié pour la première fois. Les deux molécules de CO et H2 étant très stables, leurs collisions sont douces : H2 change d'énergie de translation et CO change d'énergie de rotation... sans émission de photon.

« Ces collisions influent donc sur le lien entre l'émission de photons et l'abondance de CO, résume Ian Sims, professeur à l'université de Rennes 1 et co-signataire de l'étude. Si l'on ne mesure pas la facilité de ces changements d'état de CO et de ces transferts d'énergie, on ne peut pas interpréter les observations ».

L'expérience a mis en évidence les changements de rotation de CO, selon la température et le temps, durant quelques nanosecondes. À ces échelles de température et de temps, des effets quantiques d'interférence ont aussi été observés.

Trois années de recherches théoriques et expérimentales

« C'est peut-être la manipulation la plus compliquée que j'ai jamais réalisée », avoue Ian Sims, qui a supervisé l'expérience.

Elle est le fruit de plus de trois années de recherches et d'échanges entre physiciens expérimentaux et théoriciens, à Rennes, Grenoble et Bordeaux, mais également aux États-Unis, au Royaume-Uni et en Pologne. Cette publication est le résultat principal de la thèse d'Hamza Labiad, ancien doctorant de Ian Sims et premier auteur de l'article.

L'importance de cette recherche lui vaut de bénéficier d'une mise en avant particulière dans Physical Review A.

Référence

Absolute measurements of state-to-state rotational energy transfer between CO and H2 at interstellar temperatures
Hamza Labiad, Martin Fournier, Laura A. Mertens, Alexandre Faure, David Carty, Thierry Stoecklin, Piotr Jankowski, Krzysztof Szalewicz, Sébastien D. Le Picard, and Ian R. Sims
Phys. Rev. A 105, L020802 – Published 23 February 2022 - doi: 10.1103/PhysRevA.105.L020802

Présentation réalisée avec le concours de Nicolas Guillas