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

par Arezu Dehghanfar

Projet de thèse en Astrophysique et Milieux Dilués

Sous la direction de Cecilia (phys) Ceccarelli et de Claudine (phys) Kahane.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Institut de Planetologie et d'Astrophysique de Grenoble (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    A ce jour, la Terre est la seule planète connue qui héberge la vie, basée sur la chimie organique. Fait intéressant, les petits objets du Système Solaire (par exemple les comètes et les astéroïdes) sont enrichis de 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 pendant la formation du Système Solaire. Des étoiles comme le Soleil et des systèmes planétaires comme le Système Solaire sont continuellement formés dans la Voie Lactée, de sorte que, en principe, nous pouvons étudier la chimie de ces objets pour comprendre les premières étapes de la chimie organique du jeune Système Solaire. C'est l'objectif principal du projet ERC DOC (Dawn of Organic Chemistry), dans le cadre duquel cette thèse sera réalisée. L'objectif de la thèse est de comprendre les processus chimiques qui forment et détruisent les molécules organiques complexes interstellaires (dites iCOMs) dans les régions de formation d'étoiles de type solaire. Ce travail sera mené en développant (i) un code d'astrochimie pour produire des prédictions théoriques et (ii) un ensemble d'outils permettant comparer les grands jeux de données issus d'une part des prédictions des modèles astrochimiques et d'autre part des observations astronomiques. Les modèles astrochimiques actuels sont basés sur les réactions qui se produisent dans le gaz et à la surface des grains interstellaires. Dans les deux cas, la grande majorité des réactions incluses dans les modèles ne comporte que des estimations des espèces produites et des taux de réaction. Or, des membres du projet ERC-DOC effectuent de nouveaux calculs théoriques de chimie quantique afin de mieux évaluer ces réactions. Le sujet de thèse proposé comporte ainsi l'intégration des résultats de tous ces nouveaux calculs dans le modèle astrochimique, GRAINOBLE+. Celui-ci n'aura pas à être construit de toutes pièces mais sera basé sur le modèle GRAINOBLE, précédemment développé par notre groupe. Le travail de thèse impliquera non seulement la mise à jour du réseau chimique utilisé, mais également la traduction des découvertes théoriques et des nouveaux processus afin de les inclure dans le code. Le modèle GRAINOBLE+ sera ensuite utilisé pour prédire l'abondance des iCOMs durant la formation d'un système planétaire de type solaire. Comme dans tous modèles, les prédictions dépendent de plusieurs paramètres : des grandeurs macroscopiques décrivant l'objet à modéliser ainsi que de grandeurs microscopiques décrivant les processus physico-chimiques, souvent mal connues. En conséquence, il sera nécessaire de produire de grandes grilles de prédictions qui seront ensuite comparées avec les observations. Les observations ont été ou seront obtenues par d'autres membres du groupe ERC-DOC. Elles seront constitués de cartes d'émission de diverses raies rotationnelles de molécules cibles, obtenues dans le cadre des grands projets d'observation de l'ERC-DOC : ASAI, SOLIS et FAUST, ainsi que de nouvelles observations dédiées obtenues avec les instruments IRAM/NOEMA et ALMA. Ainsi, la base de donnée constituée des prédictions du modèle GRAINOBLE+ sera comparée à la base de données d'observations, constituée par ces milliers d'images. Le second objectif de la thèse sera donc de développer des outils de comparaison spécifiques permettant de tirer le meilleur parti des méthodes statistiques modernes, telle l'approche Bayésienne. Le travail de thèse fera partie du projet DOC (Dawn of Organic Chemistry), financé par l'ERC (European Research Council, subvention n ° 741002). Dans ce contexte, cette thèse sera conduite en contact étroit avec des observateurs, des chimistes et une grande équipe internationale de collaborateurs.

  • Titre traduit

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


  • Résumé

    So far Earth is the only known planet hosting life, which is based on the organic chemistry. Interestingly, the Solar Systems small objects (e.g. comets and asteroids) are enriched of organic compounds, which raises the question whether the first steps of the organic chemistry that led to terrestrial life started during the formation of the Solar System. Stars like the Sun and planetary systems as the Solar System are formed continuously in the Milky Way so that, in principle, we can study the chemistry in those objects to recover the first steps of the organic chemistry of the young Solar System. This is the major goal of the ERC project DOC (Dawn of Organic Chemistry), within which the present thesis will be carried out. The 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. This will be obtained by developing (i) a code of astrochemistry to produce theoretical predictions, and (ii) an ensemble of tools to compare large datasets of model predictions and observations. Current astrochemical models are based on reactions that occur on the gas and on the interstellar grain surfaces. In both cases, the vast majority of the adopted reactions is based on guessed estimates of routes, products and rates. Members of the ERC-DOC project are carrying out new theoretical quantum chemistry computations to better evaluate these reactions. The PhD student will include the results from all these new computations in a new astrochemical model, GRAINOBLE+. The model will not be built from scratch but it will be based on the model GRAINOBLE, previously developed by our group. The work will involve not only updating the used chemical network but also converting the theoretical findings and new processes so to include them in the code. The new model GRAINOBLE+ will then be used to predict the abundance of iCOMs during the formation of a Solar-like planetary system. As in any model, the predictions depend on several parameters: macroscopic quantities that describe the object to model as well as microscopic quantities that are poorly known. As a consequence, it will be necessary to run large grids of models to produce large grids of predictions to compare with observations. The observations will be obtained by other members of the ERC-DOC group. They consist of images of several rotational lines of several molecules obtained within the observational Large Projects of ERC-DOC: ASAI, SOLIS and FAUST, plus dedicated IRAM/NOEMA and ALMA new observations. In other words, the predictions will be compared with a large dataset of observations, consisting of thousands of images. The second objective of the thesis will be to develop ad hoc tools to take advantage of modern statistic methods of comparison, like the Bayesian one. The thesis work will be part of the project DOC (Dawn of Organic Chemistry), funded by the ERC (European Research Council) under the grant No 741002. In this context, the student will be in tight contact with observers, chemists and a large international team of collaborators.