Molécules dans l'univers primordial : formation, influence thermique et observabilité

Primordial molecules in the Dark Ages : formation, observability and thermal influence

• Auteur / Autrice : Patrick Vonlanthen
• Direction : Denis Puy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astronomie. Astrophysique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cosmochimie

Cosmologie

Mots clés libres

Cosmologie

Chimie primordiale

Formation des premières structures

Résumé

La chimie primordiale étudie la formation de molécules durant la période comprise entre la recombinaison cosmologique et la réionisation. J'ai étudié la formation de molécules lourdes telles que CH, NH ou OH, en tenant compte de différents modèles de nucléosynthèse primordiale. Les modèles de nucléosynthèse inhomogène permettent la synthèse de quantités d'éléments lourds plus importantes, tout en respectant les contraintes observationnelles les plus récentes. En tenant compte de tels scénarios, je montre que les abondances des espèces moléculaires basées sur C, N et O peuvent augmenter de manière importante par rapport au cas standard. En particulier, l'abondance de CH peut être supérieure à celle de certaines molécules légères. Je me suis également intéressé à l'influence thermique des molécules primordiales durant les effondrements gravitationnels de gaz cosmologique qui ont conduit à la formation des premières structures de l'univers. Dans le cadre d'un modèle d'effondrement à une zone, et en calculant à chaque pas de temps les fonctions de refroidissement moléculaires, je montre qu'il existe une possibilité de fragmentation des nuages primordiaux par instabilité thermique engendrée par ces fonctions de refroidissement. Pour finir, j'analyse la possibilité de détecter, à très hauts redshifts, des signaux moléculaires tirant leur origine de la diffusion résonante des photons du CMB sur les niveaux rotationnels des molécules contenues dans un nuage doté d'une vitesse propre. En suivant l'évolution de la chimie dans de tels nuages, j'arrive à la conclusion que les signaux attendus sont très faibles et qu'une détection par les instruments actuels semble difficile.

Primordial chemistry studies the formation of molecules between cosmological recombination and reionization. I studied the formation of heavy molecules such as CH, NH or OH, considering different primordial nucleosynthesis models. Inhomogeneous nucleosynthesis models could lead to the synthesis of more important quantities of heavy elements, while still satisfying the most recent observational constraints. When considering such scenarios, I show that the abundances of molecular species based on C, N or O can increase significantly compared to the standard case. In particular, the CH abundance can be higher than that of some light molecules. I was also interested by the thermal influence of primordial molecules during gravitational collapses of cosmological gas that led to the formation of the first structures of the universe. Using a one-zone model, I compute the molecular cooling functions at each time step and show that there exists, for the primordial molecular clouds, a possibility of fragmentation driven by thermal instability induced by these cooling functions. Finally, I consider the possibility of detecting molecular signals at very high redshifts. Such signals are generated by resonant scattering of CMB photons on the rotational levels of primordial molecules inside a cloud caracterized by a particular velocity. I follow the chemical evolution inside such clouds and come to the conclusion that the expected signals are very weak and that a detection by the present instruments seems difficult.