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Thèse Année : 2018

Study on the dissociation of astro-PAHs

Etude de la dissociation des hydrocarbures aromatiques polycycliques dans un contexte astrophysique

Résumé

Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) are revealed in astrophysical environments thanks to their characteristic infrared features that are emitted following the absorption of vacuum ultraviolet (VUV) photons 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, H_2, 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 dissociation rates from their fitting using an RRKM model. We detail the case of the fragmentation processes of two isomers of dibenzopyrene cation (C_24H_14^+) in order to assess the impact of structure on these processes. We present Density Functional Theory calculations and Molecular Dynamics simulations, which evidence the importance of structure and non-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 that would need to be considered while evaluating the contribution of PAHs to the formation of H_2 in PDRs. This mechanism involves specific structures with bay areas that would need to be studied on a larger sample of PAHs.
Les hydrocarbures polycycliques aromatiques (PAH en anglais) sont mis en évidence dans les milieux astrophysiques par des bandes caractéristiques dans l'infrarouge, bandes qui sont émises suite à l'excitation de ces molécules par les photons ultraviolets (VUV pour ultraviolet du vide) émis par les étoiles massives. Cette interaction avec le rayonnement influe sur la charge et la stabilité de ces PAH ainsi que sur les mécanismes de dissociation mis en jeu. Ceci affecte, en retour, l'énergétique et la chimie du gaz interstellaire. En particulier, les PAH pourraient contribuer à la formation de la molécule la plus abondante, H_2, dans les régions de photodissociation (PDR). Ce travail apporte une contribution à ce sujet en quantifiant l'interaction du rayonnement VUV avec des PAH de taille moyenne grâce à des études expérimentales et des simulations numériques. Les résultats expérimentaux ont été obtenus lors de deux campagnes utilisant le rayonnement synchrotron. D'une part, des mesures de spectroscopie d'action dans un piège à ions quadripolaire nous ont permis d'obtenir les rendements d'ionisation et de fragmentation ainsi que les rapports de branchement entre les différents fragments. D'autre part, des expériences d'imagerie de photoélectrons-photoions en coïncidence (iPEPICO) nous ont permis d'obtenir des courbes de fragmentation et des taux de dissociation par ajustement de ces courbes avec un modèle statistique (RRKM). Pour l'étude détaillée des processus de fragmentation, nous nous sommes focalisés sur le cas de deux isomères du cation de dibenzopyrène (C_24H_14^+) afin d'évaluer l'impact de la structure sur ces processus. Nous avons pu rationaliser les tendances expérimentales observées grâce aux calculs utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité et des simulations intensives de dynamique moléculaire. Les résultats ont permis de montrer l'importance de la structure et de la non-planéité dans l'énergétique des réactions et les chemins de dissociation. Ce travail apporte des données moléculaires significatives pour décrire l'évolution chimique des PAH dans les modèles astrophysiques. Ceci inclut la première mesure du rendement d'ionisation pour des PAH cations de taille moyenne ainsi que la détermination de plusieurs taux de dissociation de ces espèces en fonction de l'énergie interne. Nous présentons aussi un nouveau mécanisme qui pourra être considéré dans l'évaluation de la contribution des PAH à la formation de H2 dans les PDR. Ce mécanisme qui implique des régions de type "baie", devra être étudié sur un échantillon plus grand de PAH.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03549570 , version 1 (31-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03549570 , version 1

Citer

Sarah Rodriguez Castillo. Study on the dissociation of astro-PAHs. Astrophysics [astro-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2018. English. ⟨NNT : 2018TOU30377⟩. ⟨tel-03549570⟩
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