Student : RODRIGUEZ Sarah
Advisors : JOBLIN Christine, SPIEGELMAN Fernand
Start : Janvier 2015
Group : MICMAC
Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are revealed in astrophysical environments thanks to their characteristic infrared emission after these molecules are subjected to the vacuum ultraviolet (VUV) radiation from nearby massive stars. This interaction regulates their charge state, stability and dissociation mechanisms, which in turn affect the energy balance and the chemistry of the gas in the interstellar medium. In particular, PAHs could contribute to the formation of the most abundant molecule, H2, in photodissociation regions (PDRs). This work aims at contributing to these topics by quantifying the VUV photoprocessing of specific medium-sized PAH cations through experimental studies complemented by computational investigations.
The experimental results were gathered from two campaigns at synchrotron facilities: ion trap experiments allowed us to obtain the yields of ionization and fragmentation and the branching ratios between the different photoevents, while from iPEPICO spectroscopy we obtained breakdown curves and RRKM-fitted dissociation rates. We detail the case of the fragmentation processes of two isomers of dibenzopyrene cation (C24H14+) in order to assess the impact of structure on these processes. We present Density Functional Theory calculations and Molecular Dynamics simulations, which evidence the relevance of structure and planarity in these mechanisms and provide a better view on the dissociation pathways and energetics.
This work brings significant new data for models that describe the chemical evolution of PAHs in astrophysical environments, including the first measurement of the ionization yield of medium-sized PAH cations as well as several dissociation rates. We also report a new mechanism, involving specific structures with bay areas, that would need to be considered while evaluating the contribution of PAHs to the formation of H2 in PDRs.
Proposition de sujet
Les grandes molécules carbonées contiennent environ 20% du carbone dans notre galaxie et jouent un rôle important dans l’évolution physique et chimique des environnements astrophysiques, des grandes échelles du milieu interstellaire: milieu diffus et régions de formation d’étoiles aux petites échelles des environnements circumstellaires tels que les disques protoplanétaires et les nébuleuses planétaires. Leur présence est révélée par des bandes infrarouges observées en émission entre 3 et 15 μm dans la plupart des régions irradiées par des photons ultraviolets (UV) dites régions de photodissociation (PDR). Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) sont les meilleurs candidats pour expliquer les bandes les plus intenses situées à 3.3, 6.2, 7.7, 8.6, 11.3 et 12.7 μm. Néanmoins la composition précise de cette population de PAH cosmiques reste à élucider.
L’analyse des observations obtenues avec les satellites infrarouges ISO, et plus récemment Spitzer et Akari, a permis de montrer que sous l’action du rayonnement UV ces PAH sont produits par dissociation de très petits grains et que leur charge évolue de l’état neutre à l’état cationique. Ce processus pourrait aussi expliquer l’abondance importante des petits hydrocarbures détectée dans ces régions.
Afin de mieux comprendre l’évolution des grandes molécules carbonées en ambiance cosmique, nous menons à l’IRAP des expériences avec le dispositif d’astrophysique de laboratoire PIRENEA. Des calculs et simulations moléculaires sont également menés en collaboration avec le LCPQ. Les données moléculaires obtenues sont injectées dans un modèle d’évolution des PAH dans les PDR. Des premiers résultats ont permis de mettre en évidence une taille critique sous laquelle tous les PAH sont complètement déshydrogénés pour former des agrégats carbonés ouvrant des perspectives intéressantes sur le lien entre PAH et fullerènes. Néanmoins, d’autres aspects n’ont pas pu être correctement explorés en raison de notre connaissance encore trop partielle des propriétés physico-chimiques de ces grandes molécules et des très petits grains carbonés qui leur sont associés. Ceci concerne par exemple leur interaction avec l’hydrogène H/H2 ou les réactions avec O ou C+
En menant des expériences originales avec le dispositif PIRENEA, des simulations moléculaires et des travaux de modélisation, le candidat explorera donc certains des processus associés à la formation et la destruction des grandes molécules carbonées afin de mieux comprendre la nature de ces espèces dans les PDR associées aux environnements circumstellaires (nébuleuses protoplanétaires et planétaires) et aux régions de formation d’étoiles. Ce travail s’inscrira dans un contexte interdisciplinaire astrophysique/physique/chimie et dans la dynamique du projet européen Nanocosmos en synergie avec des équipes espagnoles.