La chimie des molécules organiques complexes interstellaires (iCOMs) : modélisation et comparaison avec les observations

The chemistry of interstellar Complex Organic Molecules (iCOMs) : modelling and comparison with observations

• Auteur / Autrice : Arezu Dehghanfar
• Direction : Cecilia Ceccarelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique et milieux dilues
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de planétologie et d'astrophysique de Grenoble
• Jury : Président / Présidente : Hervé Beust
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claudio Codella, Ana López-Sepulcre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serena Viti, Stéphanie Cazaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation, Méthodes de

Cosmogonie

Molécules interstellaires

Mots clés libres

Milieu interstellaire

Astrochemistry

Traitement de désorption des grains glacés

Interstellar medium

Desorption treatment of icy grains

Astrochemistry

Résumé

Jusqu'à présent, la Terre est la seule planète connue hébergeant une vie basée sur la chimie organique. Les petits objets du système solaire (par exemple, les comètes et les astéroïdes) sont enrichis en composés organiques, ce qui soulève la question de savoir si les premières étapes de la chimie organique qui ont conduit à la vie terrestre ont commencé lors de la formation du système solaire. Les étoiles et les systèmes planétaires comme notre système solaire se forment en permanence dans la Voie lactée. Donc, en principe, nous pouvons étudier la chimie de ces objets pour retrouver les premières étapes de la chimie organique du jeune système solaire. Dans cette thèse, j'ai travaillé sur deux objectifs principaux, la modélisation de l'évolution chimique dans les régions de formation d'étoiles avec Grainoble+ et la modélisation de la glace expérimentale avec Labice.Le premier objectif de la thèse est de comprendre les processus chimiques qui forment et détruisent les molécules organiques complexes interstellaires (alias iCOM) dans les régions de formation d'étoiles de type solaire. Pour cela, j'ai développé un code d'astrochimie, Grarinoble+. Le modèle est basé sur Grainoble, précédemment développé par notre groupe (Taquet et al., 2012). Grainoble+ est un code astrochimique multigrain triphasé gaz-grain simulant l'évolution chimique dans les régions de formation d'étoiles. Nous avons inclus les dernières énergies de liaison et les taux de diffusion et de réaction issus des calculs chimiques quantiques (voir, par exemple, Senevirathne et al. 2017 ; Song et al. 2017 ; et Ferrero et al. 2020).J'ai suivi deux objectifs avec Grainoble+, modéliser la formation d'iCOMs dans les régions choquées de NGC 1333 IRAS 4A (De Simone et al., 2020) et modéliser la composition de la glace dans les Taurus MCs (Witzel et al. 2022, soumis.).Le deuxième objectif de la thèse est de simuler la structure en couches des glaces dans les laboratoires de chimie expérimentale et de simuler la désorption thermique des espèces en se basant sur les techniques de Désorption Programmée en Température (TPD). À cette fin, j'ai développé un modèle de jouet Labice qui simule les expériences TPD avec l'approche de l'équation de taux avec quelques paramètres d'entrée. Labice est un simple analogue de Grainoble+ qui utilise l'approche en trois phases pour modéliser la glace, la transition de phase de l'eau et la désorption thermique dans une configuration expérimentale. L'objectif est de montrer l'impact de différents paramètres, tels que l'énergie multi-liaison ou l'effet de piégeage de la glace d'eau, qui seront utilisés dans les modèles astrochimiques. J'ai suivi deux objectifs avec le modèle de jouet Labice, modéliser l'impact de l'approche énergétique multi-liaison sur la sublimation des espèces (Ferrero et al. 2020) et modéliser et comparer les glaces composites eau et CO en utilisant la fraction CO piégée (Witzel et al. 2022, en préparation).

So far, Earth is the only known planet-hosting life based on organic chemistry. The Solar Systems small objects (e.g., comets and asteroids) are enriched with organic compounds, which raises the question of whether the first steps of the organic chemistry that led to terrestrial life started during the formation of the Solar System. Stars and planetary systems like our Solar System are formed continuously in the Milky Way. So, in principle, we can study chemistry in those objects to recover the first steps of the organic chemistry of the young Solar System. In this thesis, I worked on two main objectives, modeling the chemical evolution in star-forming regions with Grainoble+ and modeling the experimental ice with Labice.The first objective of the thesis is to understand the chemical processes that form and destroy interstellar Complex Organic Molecules (aka iCOMs) in Solar-like star-forming regions. For this purpose, I developed an astrochemistry code, Grarinoble+. The model is based on Grainoble, previously developed by our group (Taquet et al., 2012). Grainoble+ is a three-phase gas-grain multi-grain astrochemical code simulating the chemical evolution in star-forming regions. We included the latest binding energies and diffusion and reaction rates from quantum chemical calculations (see, e. g., Senevirathne et al. 2017; Song et al. 2017; and Ferrero et al. 2020).I followed two goals with Grainoble+, modeling iCOMs formation in the shocked regions of NGC 1333 IRAS 4A (De Simone et al., 2020) and modeling the ice composition in Taurus MCs (Witzel et al. 2022, submitted.).The second goal of the thesis is to simulate the layered structure of ices in experimental chemistry laboratories and simulate the thermal desorption of species based on Temperature Programmed Desorption (TPD) techniques. For this purpose, I developed Labice toy model that simulates the TPD experiments with the rate equation approach with a few input parameters. Labice is a simple analog of Grainoble+ that uses the three-phase approach to model the ice, water phase transition, and thermal desorption in an experimental setup. The goal is to show the impact of the various parameters, such as multi-binding energy or the trapping effect of water ice, that will be used in astrochemical models. I followed two goals with the Labice toy model, modeling the impact of the multi-binding energy approach on the sublimation of species (Ferrero et al. 2020) and modeling and benchmarking the water and CO composite ices using the CO trapped fraction (Witzel et al. 2022, in prep).