Collisional dynamic study of the N2H+ and H2O molecules: implication on the characterization of star forming regions.
Etude de la dynamique collisionnelle des molécules N2H+ et H2O: implication sur la caractérisation des régions de formation d'étoiles.
Résumé
Understanding the processes that lead to the formation of stars from the dense phase of the interstellar medium is possible through the observation of molecules. They allow us to constrain, through modeling of their emission, the physical, dynamical and chemical conditions present in the clouds during various stages of the collapse. For most molecules, environments surveyed in this type of study correspond to conditions such that the populating of molecular energy levels is out of thermodynamical equilibrium. The analysis of the radiation thus requires data from microscopic physics whose accuracy strongly influences the description of the regions modeled. The work performed during this thesis is inscribed in this context: firstly, it focused on the determination of rate constants for the collision of the N2H+ and H2O molecules and secondly, on the interpretation of spectra that were obtained for these molecules in regions of star formation. The first of these molecules, N2H+, is an excellent tracer of the densest regions of cold dark clouds and the second one, H2O, is the third most abundant molecular specie in massive or low mass star forming regions and constitute the main objective of the Herschel satellite. For the N2H+ molecule, collisional rate coefficients that consider the hyperfine structure have been obtained for hyperfine levels associated with the first 7 rotational energy levels and in the temperature range T=5-50 K . To do so, the collisional dynamics has been studied with a time independent quantum approach where the hyperfine structure was introduced through a recoupling method. These data were then used to interpret the emission observed in a sample of pre-protostellar clouds. In particular, different approaches were used in order to solve the coupled sets of radiative transfer and statistical equilibrium equations. This enabled to emphasize on the respective influences of collisional rate coefficients, radiative trapping and of the structure of the cloud (density and temperature variations) on the emerging hyperfine line ratio associated with the j=1-0 rotational line. For H2O, the objective of this work was firstly, to update the rate constants of the collisional system H2O-H_2 based on a potential energy surface (PES) recently calculated and whose accuracy is superior to that which has previously been used. This allowed a study that established the sensitivity of rate constants to different SEP parameters. Then, we determined collisional line broadening parameters using for this the impact approximation theory. The interest of this latter study was twofold: first, these data are needed to study planetary atmospheres and secondly, through a comparison between theoretical results and experimental data, we obtain an estimate of the quality of the PES from which the data are derived. Finally, in parallel of this work it was made an analysis of the emission from H2O observed in the Kleimann-Low nebula in Orion. Using data obtained with the ISO satellite, it was then possible to constrain the physical conditions prevailing in the source and the spatial distribution of the water abundance.
La compréhension des processus amenant à la formation d'étoiles depuis la phase dense du milieu interstellaire est possible via l'observation des molécules. Celles--ci nous permettent de contraindre, par l'intermédiaire d'une modélisation de leur émission, les conditions physiques, dynamiques et chimiques présentes dans les nuages au cours des différents stades de l'effondrement. Les milieux sondés lors de ce type d'étude correspondent, pour la plupart des molécules, à des conditions pour lesquelles le peuplement des niveaux d'énergie s'effectue hors équilibre thermodynamique. L'analyse du rayonnement nécessite alors des données de physique microscopique dont la précision influence fortement la description des régions modélisées. C'est dans ce contexte que s'inscrit le travail effectué durant cette thèse: celui-ci a porté, d'une part, sur la détermination de constantes de vitesses de collision pour les molécules N2H+ et H2O et d'autre part, sur l'interprétation de spectres observés pour ces molécules dans des régions de formation d'étoiles. La première de ces molécules, N2H+, constitue un excellent traceur des régions denses des nuages froids et la seconde, H2O, est la troisième espèce moléculaire la plus abondante dans les régions de formation d'étoiles massives ou de faibles masses et constituera le principal objectif du satellite Herschel. Pour la molécule N2H+, des constantes de vitesse de collision concernant la structure hyperfine ont été obtenues pour les niveaux hyperfins associés aux 7 premiers niveaux rotationnels et pour la gamme de température T=5-50 K. Pour cela, la dynamique collisionnelle a été etudiée avec une approche quantique indépendante du temps où la structure hyperfine est introduite via une méthode de recouplage. Ces données ont ensuite été utilisées afin d'interpréter l'émission observée dans un échantillon de nuages pré-protostellaires. En particulier, différentes approches ont été envisagées afin de traiter la résolution des équations d'équilibre statistique ce qui a permis de dégager les influences respectives qu'ont les taux de collision, le couplage radiatif et la structure en densité et température de la source sur les rapports d'intensité des transitions hyperfines associées à la transition j=1-0. Concernant H2O, l'objectif de ce travail est d'une part, de réactualiser les constantes de vitesse de collision du système H2O-H2, en se basant sur une surface d'énergie potentielle (SEP) récemment calculée et dont la précision est supérieure à celle qui a précédemment été utilisée. Ceci a tout d'abord permis une comparaison visant à établir la sensibilité des constantes de vitesse de collision à différents paramètres de la SEP. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la détermination des paramètres d'élargissement de raies par collisions, en se basant sur l'approximation d'impact. L'intérêt de cette dernière étude est double: d'une part, ces données sont nécessaires à l'étude des atmosphères planétaires et d'autre part, par l'intermédiaire d'une confrontation entre résultats théoriques et données expérimentales, celle--ci nous donne une estimation de la qualité de la SEP et des données qui en sont issues. Finalement, en parallèle à ce travail, il a été effectué une analyse de l'émission de H2O observée dans la nébuleuse de Kleimann-Low dans Orion. A partir de données obtenues avec le satellite ISO, il a alors été possible de contraindre les conditions physiques de la source ainsi que la répartition spatiale de l'abondance de l'eau.
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