Bandes aromatiques

Unepartie importantede montravail de thèseportesur l'émissiondesbandesaromatiques. Je détaillerai don de manièreplusimportante ettese tion.

Fig.2.3 Spe tredeNGC7027résultantdela ombinaisondedonnéesausoletenballonetsurlequel apparaissentlesbandesaromatiquesainsiquedesraiesdugaz.D'aprèsRussellet al.(1977).

Premières déte tions et interprétations

Dans les années 70, des observations de la nébuleuse planétaire NGC7027 ont mené aux premières déte tions de bandes larges dans l'infrarouge (voir Fig. 2.3). Ces bandes étaient à la fois plus larges que les raies du gaz et plus étroites que les signatures ara téristiques des solides en émission. Gillett et al. (1973) ont proposé une interprétation à l'aide de arbonates pour justierl'émissionde bandes entrées à8.6, 11.3et12.7

µ

m.Merrilletal.(1975)déte tent une bande large à 3.3

µ

m (unebande étroite à 3.27

µ

m ave un large épaulement à 3.4

µ

m)et suggèrent une originemolé ulaire. Cettebandeà 3.3

µ

mavaitétédéte téepourlapremière fois danslaNébuleuse de l'Oeufpar lamême équipe (Forrestet al.1975). Toujours grâ eau même groupe de her heurs, et toujours à l'aide d'observations de NGC7027, des bandes à 6.2 et 7.7

µ

mont étédéte tées etasso iéesauxpoussièresresponsables du ontinuum infrarouge(Russell etal.1977).

Fa eà la di ulté queposait leur interprétation, es bandesont tout d'abord été nommées "bandesinfrarougesnon-identiées"ou"unidentiedinfraredfeatures"(Willneretal.1979).Des matériauxaussidivers queles sili ates,lagla ed'eau, legraphite oule arbure de sili iumsont proposéspourinterpréter esbandes.Latâ heétaitd'autantplus ompliquéequelesobservations étaient en ore peu nombreuses et les orrélations entre les bandes peu évidentes. On savait pourtant depuis longtemps quelemode devibration d'étirement de laliaison CH produit une bande à 3.3

µ

m. Kna ke (1977) utilise ette donnée pour interpréter l'émission de la bande à 3.3

µ

m à l'aide de matière arbonée que l'on sait être présente dans le milieu interstellaire. Malheureusement,sesmesuressurdesmatériauxterrestresnepermettent pasderendre ompte desbandesàplusgrandes longueursd'onde. Desmolé ules, enphase gazeuseou àl'intérieur de

manteaude gla eàlasurfa e desgrains,tellesqueCH, CH

+

,CH

4

ouH

2

Osontalors proposées pour interprétertoutoupartiedesbandesinfrarouges(voirparexempleAllamandola&Norman 1978).

Mé anisme d'émission et aromatiques

Landesannées70etledébutdesannées80sontmarquésparl'a roissementd'observations de es bandes infrarouges. Leur porteurs restent toujours in onnus, mais ertains her heurs se pen hent alors sur le problème du mé anisme d'émission. Dwek et al. (1980) ont montré que le mé anisme d'ex itation de es bandes ne pouvait pas être d'origine non-thermique. La uores en e,mêmesiellerestaiténergétiquementpossible,neparaissaitpas rédibledupointde vuedel'e a itérequise:dansle asdeNGC7027,onestimealorsque haquephotonultraviolet produit par l'étoile entrale doitêtre onverti en trois photonsinfrarouges dans lesbandes. Les ollisionsgaz-grains sontégalement trèspeuprobablespourdesraisonssimilaires:lese a ités né essaires sont bien supérieures à 1. Un mé anisme d'émission thermique, quant à lui, posait le problème de trouverun (des) matériau(x) andidat(s). Dwek etal. (1980) suggèrent que des grains petits (

.

0.01µ

m) et hauds (

∼ 300

K) exposés à du rayonnement ultraviolet peuvent êtreàl'originedesbandesenémission, sanspour autant réer debandesenabsorption. L'année suivante, Duley&Williams(1981)proposent pourlapremière foisquelesbandes enémissionà 3.3et11.3

µ

montpour originedesgroupementsensurfa ed'hydro arburesaromatiquesex ités par un mé anismeàl'équilibre thermique.

Sellgrenet al. (1983)déte tent dansdes nébuleuses par réexion (NGC7023, NGC2023) les bandes infrarougesainsiqu'un ontinuum sous-ja ent à labande à3.3

µ

m.Sellgren (1984)pro- pose alors d'interpréter ette nouvelle omposante en onsidérant le hauage mono-photon de trèspetitsgrains(

∼ 10

)dansle adred'unmodèledeu tuationsthermiquesoùlatempérature desgrains atteint

∼

1000K.Leger&Puget(1984)testent alorsdes andidatsaromatiques(ben- zène et oronène) ex ités par hauage mono-photon et obtiennent des spe tres dans lesquels ils retrouvent les prin ipales bandes infrarouges (3.3, 6.2, 7.7, 8.6 et 11.3

µ

m). Ces diérentes bandessont alors plusoumoins lairement asso iéesà desliaisons ara téristiquesdemolé ules aromatiques (voir Tab.2.2.3). Le terme d'hydro arburespoly y liquesaromatiques (PAHs) est utilisé pour la première fois. Considérant que le modèle thermique utilisé par Leger & Puget (1984) est plus approprié à des solides, Allamandola et al. (1985) traitent les PAHs en tant que molé ules et interprètent leur émission infrarouge en terme de relaxation à partir de ni- veaux éle tro-vibrationnelsex itéspar l'absorption de photonsultraviolets. Dèslors, lesbandes infrarouges non-identiéesontété nomméesbandes infrarougesaromatiques ou bandesPAHs.

Variations des bandes

Comme ela est retrans rit dans la Table 2.2.3, haque bande aromatique est désormais attribuée à un type de liaison parti ulière. Cependant, la position pré ise des bandes est très variable, en fon tion despropriétés des PAHs :leur taille,leur stru ture,leur harge ...Je vais

Longueurd'onde Asso iation

3.3 CH

6.2 CC

7.7 CC

8.6 CHdansle plan 11.3 CH horsdu plan(solo) 12.0 CHhors duplan(duo) 12.7 CH horsdu plan(trio)

Tab. 2.1  Prin ipales bandes infrarouges et liaisons asso iées dans les hydro arbures poly y liques aromatiques.

résumeri i lesprin ipaux eets onnus.

Tout d'abord, lataille desPAHs joue un rle surleur température (voir Fig. 2.6, d'aprèsle modèle de Draine & Li (2007)). Plus un PAH est petit, plus satempérature est élevée et plus sonémission est dé alée vers les petites longueursd'ondes. Un petit PAH émet don plus dans lesbandesà 3.3et6.2

µ

malors qu'ungrand PAH émet plusdansles bandesà11.3 et12.7

µ

m. Lesintensités relativesdes bandesdépendent également dela harge desPAHs. Celle- i dé- penddel'équilibreentreplusieursphénomènesparmilesquelslaphotoionisationetlare ombinai- sonéle troniquesontdominantes,tandisquelephotodéta hementetl'atta hementéle troniques peuventêtretraités ommese ondaires(LePageetal.2001).LesPAHsneutressont onnuspour avoir des se tions e a es plusélevées dans labande à 3.3

µ

met moinsfortes pour les bandes à 6.2, 7.7 et 8.6

µ

m relativement aux PAHs ations, pour lesquels les bandes entre 6 et 9

µ

m sont nettement plus intenses que elles à 3.3, 11.3 et 12.7

µ

m (voir Bakes et al. 2001a,b, par exemple). Les PAHs anions sont relativement moins bien onnus ar moins étudiés et auraient un omportement pro he desPAHs ations.

La géométrie desPAHs joue un rle surle nombreet letype de leurs liaisonsCC etCH, tout omme leur taux d'hydrogénation. On dénit le taux d'hydrogénation d'un PAH omme lerapport entre le nombre de liaisonsCH du PAH et lenombre de liaisons CH que lemême squelette arboné pourrait avoir au maximum (10 pour le pyrène, 12 pour le hrysène ou le oronène,voir Fig.2.4). Pour une stru ture arbonée donnée, plusun PAH esthydrogéné, plus lenombre de liaison CH est important, et plus les bandes à 8.6, 11.3, 12.0 et 12.7

µ

m seront intenses.Pourdeux PAHsde formulebrute identiquemaisdegéométrie diérente(parexemple l'anthra ène etle phénanthrène C

14

H

10

, voir Fig. 2.4), les liaisonsCC etCH ne sont pas du mêmetype.En eet,leurenvironnement danslamolé ule n'est paslemême eten onséquen e, leur fréquen e propre peut être signi ativement modiée. Dans le as de l'anthra ène et du phénanthrène,les deuxatomesd'hydrogèneportés par lenoyau benzénique entrale ne sontpas dutoutles mêmes:surlamolé uled'anthra ène, ils sontisolés (solo)tandis quesurlephénan- thrène,ils sont groupés(duo). La gure2.5 dénitles termes solo,duo,trio, Lesautres atomes d'hydrogènesontégalementae tés,maisdansunemoindremesure. Demême,lesliaisonsCC

Fig. 2.4 TroisexemplesdePAHs terrestres simples : le naphtalène, l'anthra ène et le phé- nanthrène.

Fig.2.5 Représentations hématiquedesdif- férentstypesde liaisonC-Henfon tiondel'en- vironnementdu y learomatiquequilesporte.

de l'anthra ène etdu phénanthrène ne sont pas identiques.Les spe tresmesurés en laboratoire et al ulés en himie quantiquemènent à lamême on lusion (Bakesetal. 2001b).

Au-delàdemodi ationsglobalessurlespe tred'émissiondesPAHs(intensités relativesdes bandes), des eets plus ns existent également, sur la position ou la largeur des bandes, par exemple. Peeters et al. (2002) ont montré que l'on pouvait séparer les bandes à 6.2 et 7.7

µ

m en plusieurs omposantes. En fon tion du poids respe tif de ha une d'elle, la longueur d'onde entrale delabande sedé ale.VanDiedenhoven etal.(2004)ont montréquelesbandesà3.3et 11.3

µ

msedé alaient également, maisde manière nettement moinssigni ative et relient ette distin tion au faitque esdeux bandes ont pour origineles liaisons CH.Hudgins etal. (2005) ontproposéd'interpréterledépla ement delabande à6.2

µ

mversles ourteslongueursd'onde par laprésen ed'hétéroatomes (azote)dansles y lesaromatiques.Se posealorsleproblèmede l'in orporation de eshétéroatomesau oeurouà lasurfa e desPAHs.

Nouvelles bandes infrarouges

Desobservations spe tros opiquesinfrarouges ré entes ont permis dedé ouvrir de nouvelles bandes,essentiellementàdeslongueursd'ondesupérieuresà15

µ

m.Une premièrebande,à16.4

µ

m, a été attribuée à des vibrations CCC de PAHs (Moutou et al. 2000; Van Ker khoven et al. 2000). Des bandes à 15.9, 17.0, 17.4, 17.8 et 18.9

µ

m ont également été déte tées dans NGC7023(Werneretal. 2004),desrégionsdeformations d'étoilesainsiquedesgalaxies(Smith et al.2007). Auxlongueursd'ondeinférieuresà15

µ

m,desbandesplusfaiblesont étédéte tées à 5.25, 5.7, 6.69, 13.6 et 14.2

µ

m(Allamandola et al. 1989; Verstraete et al. 1996; Smith etal. 2007).La majorité de esnouvellesbandesestpourlemomentasso iéedemanièretrès partielle ou in ertaine àdesliaisons demolé ules aromatiques.

Fig. 2.6  Distribution de probabilité en température de PAHs en fon tion de leur taille dans deux hampsderayonnementinterstellairediérents.D'aprèsDraine&Li(2007).

Abondan e du arbone

Les émetteurs aromatiques sont des hydro arbures et ils ontiennent sans doute une part importante du arbone totale. Pour obtenir une estimationde l'abondan e du arbone dans les PAHs,ilfaut onnaîtrel'intensitédu hampderayonnement,lase tione a e d'absorptiondes porteursdesbandesparatome de arbone,l'intensitédel'émissiondans esbandesetladensité de olonne du milieu.Boulanger &Perault (1988)ont estimé leur émissiontotale, entre 2 et 15

µ

m,à

1.5 × 10

−24

_erg.s−1

paratomed'hydrogène.Joblinet al.(1992)ontmesuréuneabsorption moyennede

2.3×10

−₂₀

erg.s−₁

paratomede arbone.La ombinaisonde esdeuxmesuresmène àune abondan e du arbone dansles émetteurs

C/H = 7 × 10

−5

soit environ 20%du arbone total.

Pour on luresurlesbandesaromatiques,ilestimportantderappeler qu'ellesont étéobser- vées dans la plupart des environnements astrophysiques : nébuleuses planétaires (Gillett et al. 1973), nébuleuses par réexion (Sellgren et al. 1983), milieu dius(Giard et al. 1988), régions H II, galaxies, régions de photodisso iation, nuages molé ulaires. Les PAHs sont de bons an- didats au titre de porteurs de es bandes, mais ils se heurtent à plusieurs problèmes. D'une part, l'a ord spe tral entre les données astrophysiques et les al uls de himie quantique ou les mesures de laboratoires est bon mais il n'est pas parfait. D'autre part, les PAHs sont des molé ulesétudiéesenlaboratoireetsontdon d'origineterrestre.Il fautdon restertrèsprudent surl'interprétationdesbandes infrarouges.

Dans le document Propriétés et évolution des poussières du milieu interstellaire. (Page 39-45)