Études infrarouges des isotopes H216O, H217O et H218O de la molécule d'eau à basse température : dynamique de conversion de spin nucléaire en matrice de gaz rare et rapport ortho-para de l'eau dans la Barre d'Orion - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Infrared studies of H216O, H217O and H218O water isotopes at low temperature : nuclear spin conversion dynamic in rare gas matrix and water ortho-to-para ratio in the Orion Bar

Études infrarouges des isotopes H216O, H217O et H218O de la molécule d'eau à basse température : dynamique de conversion de spin nucléaire en matrice de gaz rare et rapport ortho-para de l'eau dans la Barre d'Orion

Résumé

The purpose of this work is to study the variations of the ortho-to-para ratio of water isotopes in the interstellar medium and rare gas matrix. The intensities of the water infrared emission lines observed in the Orion Bar were analyzed using the radiative transfer model of the Meudon PDR Code. The water chemistry modifications due to the adsorption of water molecules on interstellar grains were investigated and lead to a strong water depletion which has to be balanced by enhancing water gas phase production in order to retrieve the observed water line intensities. An agreement between the observed and predicted intensities is obtained for an OPR of 2.8 at the thermal equilibrium at 36 K. The role of water confinement on the nuclear spin conversion characteristic time is investigated. Considering a new water line assignment in the far infrared and rotation-translation coupling model, water molecules are more confined in argon matrix than in krypton one. The rotational structure of water isotopes in argon and krypton matrices is derived showing perturbations of the asymmetric rotator wave functions with a mixing of rotation and translation states. The variations of the nuclear spin conversion time with the temperature are retrieved by intramolecular magnetic interactions through spin-rotation coupling. Furthermore considering phonon processes, the nuclear spin conversion channels between nuclear spin isomer rotational states are confirmed. Finally, a new nuclear spin isomer enrichment method was attempted. The first results have shown that the efficiency of this method is reduced due to a quick vibrational relaxation of water molecules in rare gas matrix.
Ce travail s'attache à l'étude de la répartition des populations des isomères de spin nucléaire des isotopes de l'eau dans le milieu interstellaire et en matrice de gaz rare. Les intensités des raies d'émission infrarouge de l'eau dans la Barre d'Orion ont été analysées avec le modèle de transfert radiatif du code PDR de Meudon. L'adsorption des molécules d'eau à la surface des grains interstellaires sur la chimie de l'eau a été étudiée et mène à une augmentation de la production de l'eau en phase gazeuse pour reproduire les observations. Un OPR de 2.8 à l'équilibre thermodynamique à 36 K s'est révélé correspondre aux observations. L'influence du confinement de l'eau en matrice de gaz rare sur les temps de conversion de spin nucléaire a été étudiée. En revisitant l'attribution des transitions de l'eau en matrice de gaz rare dans l'infrarouge lointain, un confinement plus fort en matrice d'argon que de krypton est déduit du modèle de couplage rotation-translation. La structure rotationnelle (énergies et fonctions d'onde) des isotopes de l'eau en matrices d'argon et de krypton est établie révélant des mélanges d'états de rotation et de translation. Les variations des temps de conversion en fonction de la température sont reproduites par des couplages magnétiques intramoléculaire de type spin-rotation. Les canaux de conversion entre les états rotationnels des deux isomères de spin sont discutés. Enfin, la faisabilité d'un enrichissement en un isomère de spin par pompage optique infrarouge est adressée et l'efficacité de cette technique est limitée par une relaxation vibrationnelle rapide en matrice de gaz rare.
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  • HAL Id : tel-03001892 , version 1

Citer

Thomas Putaud. Études infrarouges des isotopes H216O, H217O et H218O de la molécule d'eau à basse température : dynamique de conversion de spin nucléaire en matrice de gaz rare et rapport ortho-para de l'eau dans la Barre d'Orion. Astrophysique galactique [astro-ph.GA]. Sorbonne Université, 2019. Français. ⟨NNT : 2019SORUS321⟩. ⟨tel-03001892⟩
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