La pr´evalence d’un m´ecanisme sur les autres d´epend des conditions du milieu et de la structure des grains. La nature de la liaison des atomes sur les grains est d´eterminante. Dans les milieux diffus, o`u les grains sont trop chauds pour que des atomes physisorb´es aient un temps de r´esidence assez long pour pouvoir se rencontrer, la chimisorption joue sans doute un rˆole important. Dans les nuages mol´eculaires, o`u les grains sont froids, la physisorption est sans doute la voie majoritaire. En outre, il est probable que des m´ecanismes mixtes impliquant `a la fois des atomes chimisorb´es et physisorb´es aient un rˆole `a jouer sur les grains interstellaires.
1.3 Etudes Pr´ec´edentes
Les articles fondateurs de Gould & Salpeter (1963) puis Hollenbach & Salpeter (1971) ont pos´e les bases th´eoriques sur le sujet en estimant les taux de formation et en soulignant l’importance du temps de r´esidence des atomes sur la surface.
L’article de Pirronello et al. (1997b) pr´esente une introduction historique des avanc´ees sur le sujet dans les ann´ees 80 et 90. Il propose alors un dispositif exp´erimental d´evelopp´e par G. Vidali `a l’Universit´e de Syracuse (USA) pour ´etudier directement l’efficacit´e de la formation. L’originalit´e de l’approche ´etait d’utiliser un dispositif ultravide et deux jets atomiques H et D, pour ´etudier l’efficacit´e de la r´eaction en mesurant la quantit´e de HD form´ee, et de s’appliquer `a utiliser des surfaces d’int´erˆet astrophysique. Ils ont ´etudi´e la formation dans la gamme de temp´erature typique de la physisorption de l’hydrog`ene (10-30 K) sur des surfaces de plusieurs natures : silicate (Pirronello et al., 1997a,b), carbone amorphe (Pirronello et al., 1999), glace d’eau (Perets et al., 2005) et glace de CO (Vidali et al., 2004). Ils ont parall`element d´evelopp´e un mod`ele qui, `a partir des donn´ees exp´erimentales, permet de remonter aux param`etres cl´es : ´energie d’adsorption, barri`ere de mobilit´e, r´etention des mol´ecules form´ees par la surface (Biham et al., 1998; Katz et al., 1999).
Les conclusions de ces travaux d´ependent de la surface consid´er´ee mais on peut en extraire les grandes lignes suivantes. Les atomes H et D se collent par physisorption sur les surfaces froides (∼ 10 K). Quand la surface est r´echauff´ee, une d´esorption de mol´ecules HD est observ´ee `a une temp´erature qui d´epend du type de surface. Pour l’interpr´etation des r´esultats exp´ erimen-taux, ils font l’hypoth`ese que les atomes sont vraisemblablement immobiles sur les surfaces vers 10 K et qu’il est n´ecessaire de chauffer la surface pour les rendre mobiles et activer ainsi la formation juste avant d´esorption. Le m´ecanisme impliqu´e serait alors un m´ecanisme de Langmuir-Hinshelwood activ´e par la temp´erature, efficace dans la gamme de temp´erature de grain 10-20 K.
Parall`element, des ´etudes th´eoriques sur les processus impliqu´es dans la formation se sont d´evelopp´ees. Le collage des atomes d’hydrog`ene sur la glace d’eau a ´et´e ´etudi´e par Buch & Zhang (1991); Masuda et al. (1998) et plus r´ecemment par Al-Halabi et al. (2002), qui ont montr´e que l’efficacit´e de collage (ou coefficient de collage) sur une surface `a 10 K est unitaire pour une temp´erature du gaz typique de 50 K et tombe `a z´ero au del`a de 500 K. Le collage sur le graphite a ´egalement ´et´e ´etudi´e r´ecemment (Sha et al., 2005). Les m´ecanismes de formation ont aussi ´et´e abord´es par des travaux th´eoriques. Takahashi (2001) a utilis´e des m´ethodes de calcul de dynamique mol´eculaire classique pour ´etudier l’efficacit´e de collage et de formation de H2 sur des glaces amorphes. Ses calculs pr´edisent ´egalement une forme vibrationnellement excit´ee pour les mol´ecules form´ees. Sha et al. (2002) ont montr´e par des calculs DFT2 que le m´ecanisme de formation ER sur du graphite avait une section efficace importante (6 `a 10 ˚A2), mais qu’il ne pouvait ˆetre la voie de formation majoritaire que dans des milieux o`u le gaz est suffisamment chaud (T > 1000 K) pour que la formation par LH `a partir d’atomes physisorb´es soit improbable et que les atomes aient suffisamment d’´energie cin´etique pour vaincre la barri`ere de chimisorption. Ils montrent ´egalement que dans ce cas, les mol´ecules seraient form´ees dans un ´etat excit´e (v ≈ 5 − 8 et J ≈ 3 − 8). Morisset et al. (2005) dans une autre approche th´eorique ont calcul´e que des atomes physisorb´es sur des surfaces de graphite pouvaient former des mol´ecules par le m´ecanisme LH avec une grande probabilit´e et que les mol´ecules ainsi form´ees ´etait lib´er´ees dans des ´
etats excit´es (typiquement v ≈ 6 − 14 et J ≈ 6 − 14).
Bien que les travaux th´eoriques progressent sur le sujet, il est n´ecessaire de poursuivre les investigations sur le plan exp´erimental afin de valider leurs r´esultats. Trois autres ´equipes dans le monde se sont donc orient´ees vers ce sujet de recherche. L’´equipe men´ee par S.D. Price `a Londres (University Col-lege London, UK), l’´equipe de A. Luntz et A. Baurichter `a l’Universit´e du Sud du Danemark (Syddansk Universitet, Odense) et enfin notre ´equipe de l’Universit´e de Cergy-Pontoise. Le principe des exp´eriences est similaire `a ce-lui d´evelopp´e `a Syracuse. Quelques ´equipes ont entre autres buts de mesurer par spectroscopie laser l’excitation rovibrationnelle des mol´ecules form´ees et certains r´esultats partiels ont ´et´e obtenus sur du graphite (Perry & Price, 2003; Creighan et al., 2006). Au del`a de ces quatre groupes centr´es sur le sujet, d’autres ´equipes contribuent `a l’´etude exp´erimentale de la formation d’hydrog`ene mol´eculaire sur des surfaces. On peut citer notamment l’´equipe du CESR de Toulouse autour du dispositif PIRENEA qui ´etudie la photodis-sociation des PAH et des chaˆınes carbon´ees qui peut ˆetre source de production de H2, et l’´equipe de Aarhus (Danemark) pour ses r´esultats r´ecents obtenus 2Th´eorie de la Fonctionnelle de la Densit´e, dans le cadre de la th´eorie quantique non-relativiste
1.3 Etudes Pr´ec´edentes 19
par la technologie de visualisation STM sur la recombinaison de l’hydrog`ene sur le graphite (Hornekaer et al., 2006).
Pour ce qui concerne les ´etudes men´ees sur les glaces d’eau `a tr`es basse temp´erature, les diff´erents m´ecanismes `a l’oeuvre dans la formation sur les nombreux types de surface possibles restent insuffisamment compris. En effet, l’´equipe danoise d’Odense (Hornekaer et al., 2003) a montr´e que les conclusions des travaux de Syracuse sur les surfaces de glace pouvaient ˆ
etre remises en question. Ils ont d´emontr´e que la d´esorption des mol´ecules ´
etait activ´ee par la temp´erature mais que la r´eaction d’association d’atomes pouvait certainement avoir lieu `a 10 K. Ils ont alors soulign´e le rˆole majeur jou´e par la morphologie de la glace, dont la porosit´e favorisait la recapture des mol´ecules form´ees, compliquant ainsi les processus mis en jeu dans une exp´erience de laboratoire. Le d´esaccord sur les interpr´etations provient peut-ˆetre des diff´erences dans les conditions exp´erimentales mises en place par les deux ´equipes. Le flux des jets, leurs temp´eratures et les temps d’exposition doivent ˆetre consid´er´es avec soin pour pouvoir comparer les exp´eriences (Perets et al., 2005). On peut aussi remarquer que la glace d’eau est une surface complexe et que les conditions dans lesquelles elle est pr´epar´ee doivent ˆetre mieux d´efinies afin de pouvoir comparer les r´esultats de diff´erentes exp´eriences. La figure 1.4 illustre par exemple les diff´erences entre courbes de d´esorption de l’hydrog`ene mol´eculaire sur des surfaces en principe ´equivalentes. Ces diff´erences n’´etaient pas encore bien comprises au d´ebut de cette th`ese.
Ce travail de th`ese est une contribution `a l’´etude de la formation d’hy-drog`ene sur les grains de poussi`ere au moyen d’un dispositif exp´erimental d´edi´e qui rassemble la totalit´e des diagnostics pr´esents sur les autres exp´ e-riences dans une configuration g´eom´etrique et spatiale cependant diff´erente. Les surfaces ´etudi´ees ici sont les glaces d’eau amorphes typiques du milieu in-terstellaire. Le choix de cette surface est en partie motiv´e par l’incertitude qui persiste dans les interpr´etations des ´etudes exp´erimentales de nos pr´ed´ eces-seurs. Les surfaces de glaces d’eau peuvent ´egalement ˆetre consid´er´ees comme des surfaces mod`eles. Elles sont pr´epar´ees relativement facilement dans un dispositif ultravide et sont ais´ement renouvelables. Surtout, on peut faire va-rier certaines propri´et´es, comme la porosit´e et les ´energies de liaison, qui sont d´eterminantes pour la formation d’hydrog`ene sur les grains, en changeant la m´ethode de pr´eparation. Ces surfaces sont aussi l’objet d’´etudes th´eoriques sur les processus impliqu´es dans la formation d’hydrog`ene. D’avantage de r´esultats exp´erimentaux sont n´ecessaires pour les conforter.
Apr`es pr´esentation du dispositif exp´erimental et des m´ethodes d’analyse en premi`ere partie, l’adsorption-d´esorption de l’hydrog`ene mol´eculaire sur les glaces d’eau est ´etudi´ee en seconde partie. Ce pr´ealable indispensable `a l’interpr´etation des exp´eriences de formation vise `a distinguer dans le pro-cessus complexe de d´esorption de l’hydrog`ene mol´eculaire les rˆoles tenus par
18 20 22 24 26 28 30 32 34 Manico et.al. APJ 548 : L253 2001 Roser et.al. APJ 581: 276 2002 T a u x d e d é s o rp ti o n d e H D ( u n it . a rb .) Température (K) Hornekaer et.al. Science 302, 19432003
Fig. 1.4: R´esultats d’exp´eriences, en principe similaires, de formation de HD sur des surfaces de glace d’eau. Manic`o et al. (2001) : 1200 couches de glace d’eau form´ee `a 10 K et expos´ee `a 18 min de jet H et D ; Roser et al. (2002) : 1200 couches de glace d’eau form´ee `a 10 K et expos´ee `a 4 min de jet H et D ; Hornekaer et al. (2003) : 2000 couches de glace d’eau d´epos´ee `a 10 K expos´ee `
1.3 Etudes Pr´ec´edentes 21
les ´energies d’adsorption sur la surface, la morphologie de l’´echantillon et les isotopologues de l’hydrog`ene mol´eculaire consid´er´es. L’apport de l’´etude pour notre connaissance de l’abondance de l’hydrog`ene mol´eculaire en surface des glaces dans le MIS est ensuite pr´esent´e, ainsi qu’un r´esultat annexe sur les diff´erences d’´energie d’adsorption entre les esp`eces ortho- et para- D2.
La troisi`eme partie, consacr´ee `a l’´etude de la formation de l’hydrog`ene mol´eculaire sur les glaces, montre l’influence de la quantit´e d’hydrog`ene mo-l´eculaire pr´esente sur la glace sur l’efficacit´e de la r´eaction et le rˆole important jou´e par la porosit´e sur la formation.