Les premières étapes de la formation stellaire sont accompagnées d'une évolution de la chimie, à partir de molécules simples dans les nuages froids et sombres vers la détection de molécules organiques complexes autour des étoiles de Classe 0. Bien que principalement composés de gaz, ces nuages contiennent également une petite quantité de poussière microscopique. La contribution de cette poussière est toutefois importante car elle agit comme un catalyseur pour la formation de molécules clés observées dans les glaces froides interstellaires, telles que l'eau ou le méthanol. Ces glaces seraient la première étape d'une chimie riche observée dans les enveloppes tièdes des protoétoiles. Durant cette thèse, je me suis concentré sur la première étape en utilisant une double approche. i) Modélisation. J'ai développé un modèle astrochimique couplant la chimie en phase gazeuse et à la surface des grains. Ce modèle suit la formation multicouche des glaces interstellaires et, grace à une approche multiparamètre, nous permet également d'étudier l'influence de paramètres physiques, chimiques, et de surface, tels que la porosité des grains, sur la composition chimique des glaces. Le modèle a ensuite été utilisé pour prédire la différenciation chimique et la deutéra- tion des glaces interstellaires. Ainsi, j'ai construit un réseau chimique en prenant en compte les travaux expérimentaux et théoriques les plus récents. J'ai ensuite appliqué ce modèle à différents cas. J'ai par exemple montré que les glaces sont très hétérogènes et que leurs compositions sont très sensibles aux conditions physiques ainsi qu'à différents paramètres de surface. La deutéra- tion élevée du formaldehyde et du méthanol a été prédite pour une phase dense (nH ∼ 5 × 10^6 cm−3) et rapide (∼ 5000 ans) tandis que la deutération plus faible de l'eau est prédite pour des conditions typiques de nuages moléculaires. La deutération est très sensible et peut donc etre utilisée comme un traceur des conditions physiques. ii) Observations. J'ai été impliqué dans différents projets observationnels dont les buts étaient reliés aux problèmes de la chimie à la surface des grains. J'ai obtenu les trois résultats suivants. Nous avons montré une évolution de la deutération sélective du méthanol avec le type de la protoétoile, le rapport d'abondance [CH2DOH]/[CH3OD] diminuant avec la masse de la protoé- toile. Une cartographie interféromètrique de l'eau deutérée vers deux protoétoiles de faible masse nous a permis de contraindre un fort degré de deutération de l'eau dans de nouvelles sources. Finalement, nous avons détecté pour la première fois plusieurs molécules organiques complexes dans un coeur prestellaire, remettant en question le scénario actuel de formation des molécules organiques complexes dans des conditions tièdes. / The first stages of star formation are accompanied by an evolution of the chemistry, starting from simple molecules in cold dark clouds to the detection of complex organic molecules around Class 0 protostars. Although mostly composed of gas, these clouds also contain small amounts of microscopic dust. The contribution of this dust is nevertheless important because it acts as a catalyst for the formation of key molecules seen in cold interstellar ices, such as water or methanol. These ices are believed to be the first step towards the rich chemistry seen in the warm envelope of protostars. During my thesis, I focused on this first step and I did so by taking a twofold approach. i) Modelling. I have developed an astrochemical model coupling the chemistry in the gas phase and on the grain surfaces. This model follows the multilayer formation of interstellar ices and allows us to investigate the influence of key physical, chemical, and surface parameters, such as grain porosity, on the chemical composition of ices via a multiparameter approach. The model has been applied to predict the chemical differentiation and the deuteration of interstellar ices. To this end, I have built up a chemical network taking into account the most recent experimental and theoretical works. I applied then the model to various cases. For example, I showed that ices are heterogeneous and their composition are sensitive to the physical conditions as well as several grain surface parameters. The high deuteration of formaldehyde, and methanol observed around low-mass protostars has been predicted by a dense (nH ∼ 5 × 106 cm−3) and fast (∼ 5000 years) phase while the lower deuteration of water is predicted for typical molecular cloud conditions. The deuterium fractionation is very sensitive and can be used as a tracer of the physical conditions. ii) Observations. I have been involved in observational projects whose goals are related to the grain surface chemical problems. I obtained the following three results. We showed an evolution of the selective deuteration with the protostar type, the [CH2DOH]/[CH3OD] abundance ratio decreasing with the protostar mass. Interferometric mapping of deuterated water towards low- mass protostars has allowed us to constrain a high deuteration level of water in new sources. Finally, we detected several complex organic molecules in a cold prestellar core for the first time, challenging the current scenario of complex organic molecules in warm conditions.

Depuis leur découverte dans divers environnements astrophysiques, les anions polyyne CxH¯ (x = 2, 4, 6) et les anions cyanopolyyne CxN¯ (x = 1, 3, 5) ont reçu une attention considérable. Ces anions semblent jouer des rôles importants dans leur environnement. Cependant, les données à basse température sur les voies chimiques menant à leur formation et à leur destruction sont encore rares, en particulier ce qui concerne l'identité du produit et les ratios de ramification. Pour résoudre ce problème, nous nous sommes engagés dans la recherche de la réactivité de ces anions moléculaires en utilisant des instruments dédiés couplant des jets subsonique et supersonique avec des méthodes de spectrométrie de masse. De cette façon, nous avons étudié la réactivité des anions C3N avec le cyanoacétylène (HC3N) ainsi que la réactivité de CN¯, C3N¯, et C5N¯ avec l'acide formique (HCOOH) de 298 K à des températures aussi basses que 36 K. Nous rapportons dans ce travail le taux de vitesse, les produits, et les ratios de ramification de ces réactions. Ce travail aborde également la source prototype d'ions sélectionnée, qui a récemment été mis en place dans notre laboratoire afin d'étendre notre recherche à d'autres anions d'intérêt astrophysique (e.g. les anions CxH¯ et Cx¯). Une description de cet instrument ainsi que des résultats préliminaires sont présentés dans ce travail. Cette thèse, «Reactivity of Molecular Anions at Low Temperature: Implications for the Chemistry of the Interstellar medium and Titan’s atmosphere», a été réalisée au sein de l'Institut de physique de Rennes et de l'Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes. Mots-clés: astrochimie, atmosphère de Titan, anions moléculaires, cinétique en phase gazeuse, jet supersonique, spectrométrie de masse, source d’ions sélectionnée / Ever since their discovery in various astrophysical environments, polyyne anions CxH¯ (x = 2, 4, 6) and cyanopolyyne anions CxN¯ (x = 1, 3, 5) have received a considerable attention. These anions appear to be playing important roles in their environments. However, low temperature data on the chemical pathways leading to their formation and destruction is still scarce, especially regarding product identity and branching ratios. To address this issue, we have engaged in the investigation of the reactivity of these molecular anions by employing dedicated instruments coupling subsonic and supersonic flows with mass spectrometry methods. In this fashion, we have investigated the reactivity of C3N¯ anions with cyanoacetylene (HC3N) as well as the reactivity of CN¯, C3N¯, and C5N¯ with formic acid (HCOOH) from 298 K down to temperatures as low as 36 K. We report in this work the rate coefficient, the nature of the products, and the branching ratios of these reactions.This work also addresses the prototype selected ion source in our laboratory, which was recently implemented in order to extend our investigation to other anions of astrophysical interest (e.g. CxH¯ and Cx¯ anions). A description of this instrument as well as some preliminary results are presented in this work. This thesis, «Reactivity of Molecular Anions at Low Temperature: Implications for the Chemistry of the Interstellar medium and Titan’s atmosphere», was carried out at the Institut de Physique de Rennes and the Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes.Keywords: astrochemistry, Titan’s atmosphere, molecular anions, gas phase kinetics, supersonic flow, mass spectrometry, selected ion source

Ce projet a pour but de répondre à quelques questions pendantes de planétologie en utilisant des méthodes de chimie quantique. Il recouvre principalement deux études.La première étude modélise les processus chimiques susceptibles d’expliquer la déplétion en gaz rares observée dans l’atmosphère de Titan par la mission Huygens ; l’étude considère la formation par association radiative, des complexes stables entre Ar, Kr, Xe et H3+ ou les ions protonés, ceci dans la nébuleuse proto-planétaire, avant la formation de Titan en tant qu’objet.La seconde étude analyse les mécanismes piégeant les volatiles dans les glaces, mécanismes à l’œuvre dans les comètes comme dans la lune Europe. Les scénarios d’une origine primordiale commune de O2 et S2 observés dans la comète 67P/C-G lors de la mission ROSETTA, ont pu être validés, donnant des rapports d’abondance avec l’eau proches des observations, et proposant une explication pour la corrélation/non corrélation avec l’eau pour les deux espèces. De même, un scénario pour l’origine des éléments mineurs Na et K détectés dans l’exosphère d’Europe, satellite pour lequel l’intérêt a ressurgi en raison des missions à venir, Juice de l’ESA et Europa Clipper de la NASA, a été étudié et s’est révélé valable également pour Mg et Ca pour lesquels des prédictions d’abondance ont été faites. Du point de vue des simulations numériques, ce travail combine deux approches ab-initio, une approche moléculaire pour la phase gazeuse du premier cas et une approche périodique du solide pour les autres cas. / This project aims at answering some questions in planetology by means of ab-inito quantum chemistry. It can be divided into two main studies. One models the chemical processes likely to explain the noble gases deficiency observed by the Huygens probe in the atmosphere of Titan; it investigates the formation of stable complexes between Ar, Kr, Xe and H3+ or protonated ions by radiative association, in the proto-solar nebula, prior to the formation of Titan. The other analyzes the trapping mechanisms of volatiles in the ice at work in comets as well as in Europa. Scenarios of primordial origin for O2 and S2, observed in comet 67P/C-G by the ROSETTA probe, were thus validated, giving abundance ratios with H2O close to those observed and proposing an explanation for the respective correlation/non-correlation with water of the two species. Also, a scenario for the origin of trace elements Na, K detected in the exosphere of Europa whose interest is revived by anticipating the missions Juice and Europa Clipper, was argumented and found available for Mg and Ca to predict relative abundancies to be observed. The computational work combines two ab-inito approaches, molecular calculations in gaseous phase in the first case and periodic solid state calculations in the second.

L’extraction du moment cinétique au sein des disques protostellaires est le processus clé qui détermine la masse finale accrétée par une étoile, ainsi que les conditions de formation de son cortège planétaire. Il a été proposé que les jets protostellaires pourraient jouer un rôle essentiel dans cette extraction, via un processus magnétohydrodynamique (MHD). L’objectif principal de ce travail de thèse est de mettre à profit le gain révolutionnaire en résolution et en sensibilité apporté par l’interféromètre submillimétrique ALMA afin de clarifier le processus d’accrétion-éjection à l’œuvre dans les protoétoiles. Cette pro- blématique est abordée selon trois axes complémentaires i) confrontation des modèles théoriques de vent de disque MHD à la dynamique du jet de HH212 observé par ALMA à haute résolution angulaire. Je présente la découverte de signatures de rotation en SO/SO2 dans le jet qui, avec la dynamique de SiO, sont cohérentes avec un vent de disque MHD lancé entre 0.05 et 40au. ii) étude analytique et numérique de l’impact de la variabilité d’un jet rapide pulsant sur un vent de disque. J’identifie des signatures observationnelles de la présence d’un vent de disque à partir de l’étude morphologique et cinématique des coquilles de choc d’étrave. iii) signatures chimiques d’un jet lancé en deçà de la région de sublimation des poussières (∼ 0.2 au). Je montre que malgré la forte irradiation du jet et l’absence de poussière, des molécules telles que SiO ou CO peuvent se former efficace- ment à partir d’une faible fraction de H2. Ce scénario pourra être confronté aux futures observations JWST. / The question of angular momentum extraction from protoplanetary disks (hereafter PPDs) is fundamental in understanding the accretion process in young stars and the formation conditions of planets. Pioneering semi-analytical work, followed by a growing body of magnetohydrodynamic (MHD) simulations, have shown that when a significant vertical magnetic field is present, MHD disk winds (hereafter MHD-DWs) can develop and ex- tract some or all of the angular momentum flux required for accretion. The aim of this PhD thesis is to exploit the unprecedented capabilities provided by ALMA to clarify the accretion-ejection process in protostars. This goal is achieved following three approaches: 1) comparison of MHD-DW models with the kinematics of HH 212 jet observed by ALMA at high angular resolution. I report the discovery of a rotating SO/SO2 wind consistent with a MHD-DWs launched out to ∼40 au with SiO tracing dust-free streamlines launched from 0.05−0.3 au. 2) Analytical and numerical study of the interaction between a pulsat- ing inner jet embedded in a stationary disk wind. Observational signatures are identified from the morphology and the kinematics of bow-shock shells. 3) Chemical signatures of a jet launched inside the dust sublimation radius (∼ 0.2 au). I show that despite the strong X-FUV field and the absence of dust, molecules like SiO or CO can form efficiently from a small fraction of H2. This scenario will be confronted to JWST observations.

Les météorites et particules de poussière interplanétaire apportent des contraintes sur la formation et l’évolution de la matière dans le système solaire. Les micrométéorites, dont certaines proviennent des régions externes du système solaire, représentent la source dominante de matière extraterrestre arrivant sur Terre. Les micrométéorites collectées dans les neiges antarctiques sont dans un excellent état de conservation du fait de conditions géographiques et météorologiques favorables à leur préservation. La collection CONCORDIA/CSNSM de micrométéorites contient en particulier des micrométéorites peu altérées thermiquement lors de leur entrée atmosphérique. Certaines sont caractérisées par une très haute teneur en matière organique, dépassant 50% en volume, très largement au dessus des valeurs habituelles trouvées dans les météorites. Cette matière organique présente de plus la spécificité d’être fortement enrichie en deutérium et contient jusqu’à cinq fois plus d’azote celle extraite des météorites.Les différents scénarios proposés pour expliquer la formation de cette matière et satisfaisant à l’ensemble des caractéristiques de ces micrométéorites impliquent des corps parents orbitant au-delà de Neptune, dans la ceinture de Kuiper ou dans le nuage de Oort. La température y est suffisamment basse pour condenser à leur surface les molécules volatiles comme l’azote et le méthane tandis qu’ils sont exposés à l’action radiochimique du rayonnement cosmique galactique. Afin de contraindre ces scénarios, des expériences ont été conduites en exposant différentes glaces N2-CH4 aux faisceaux d’ions du GANIL simulant ce rayonnement. L’évolution chimique des glaces au cours de l’irradiation et pendant le recuit des échantillons a été suivie par spectroscopie infrarouge au moyen de deux dispositifs disponibles au CIMAP : la chambre d’analyse CASIMIR et le nouvel appareil IGLIAS. Des analyses complémentaires ex situ ont été menées par spectrométrie de masse. Les résultats apportant des éléments de réponse à l’origine de la matière organique des micrométéorites ultracarbonées ainsi que sur l’origine de leur enrichissement isotopique seront présentés et discutés. / Extraterrestrial materials, such as meteorites and interplanetary dust particles, provide constraints on the formation and evolution of organic matter in the young solar system. Micrometeorites represent the dominant source of extraterrestrial matter at the Earth’s surface, some of them originating from large heliocentric distances.Micrometeorites recovered from Antarctica snows provide a unique source of pristine interplanetary dust particles, which underwent a minimal weathering at atmospheric entry. A few percent are characterized by very large carbon content with at least 50% in volume, much higher than the value found in meteorites. This organic matter exhibits extreme deuterium excesses and is unusually nitrogen-rich.Several formation scenarios have been proposed for the formation of the N-rich organic matter observed in UCAMMs, suggesting that these particles come from a parent body orbiting beyond the nitrogen snow line, in the outer Solar System where they are exposed to ions from the galactic cosmic rays. We experimentally evaluate the scenario involving high energy irradiation of icy bodies subsurface orbiting at large heliocentric distances by irradiating N2-CH4 ices with swift heavy ions provided by the GANIL facility. Chemical evolution was monitored by Fourier transform infrared spectroscopy with two experimental set-up : CASIMIR and IGLIAS. Ex situ mass spectroscopy measurement where also conducted. Results concerning the origin of the organic matter found in ultracarbonaceous micrometeorites and the origin of its deuterium enrichment will be presented and discussed.

D’immenses progrès ont été réalisés ces dernières années dans le champ de production de condensats de Bose-Einstein moléculaires pour l’obtention et le piégeage de molécules ultrafroides ioniques et neutres. Ces échantillons de molécules ultrafroides trouvent des applications dans des domaines très variés tels que les mesures pectroscopiques de haute précision ou bien encore le stockage de l’information quantique. La volonté d’optimiser les procédés de refroidissement et des techniques de piégeage a stimulé un grand nombre d’études théoriques. La plupart de ces études sont dédiées au refroidissement des molécules en collision avec un gaz tampon (3 He). La surface d’énergie potentielle de l’état fondamental du complexe de van der Waals He–MnH(X7Σ+) est présentée, suivie du calcul des états liés correspondant au complexe ainsi que l’étude de la relaxation Zeeman associée au système en fonction du champ magnétique appliqué. Dans le domaine de l’astrochimie, l’étude de la désexcitation rotationnelle de CH+ en collision avec l’hélium est également présentée. / Tremendous progress in experimental production and trapping of ultracold neutral and ionic molecules has been achieved over the past few years which even allowed the production of molecular Bose–Einstein condensates. These ultracold molecules samples have potential applications in many different fields, such as precision spectroscopic measurements or quantum information storage and processing. The optimization of the cooling processes and the trapping techniques also stimulated a great number of theoretical studies. Many of them are dedicated to inelastic scattering of molecules in collisions with 3He atoms (buffer gas cooling method). The potential energy surface of the ground state of the He–MnH(X7Σ+) van der Waals complex is presented, followed by the calculations of the bound states of this system and the Zeeman relaxation in function of the magnetic field. In the field of astrochemistry, a quantum mechanical investigation of rotational energy transfer in cold collisions of CH+ with 4He atoms is presented.

Le travail que je présente dans cette thèse est un travail principalement expérimental effectué au sein du laboratoire LAMAp de l'Université de Cergy-Pontoise, à l'aide du dispositif expérimental appelé FORMOLISM. Les principaux composants de ce dispositif sont: l'ultravide (10-10 mbar), l'ultra-froid (~5 K), des jets atomiques, la spectrométrie de masse TPD (Thermally Programmed Desorption) et la spectroscopie laser dans l'UV mettant en oeuvre des longueurs d'onde autour de ~200 nm. Grâce à la technique REMPI-TOF (Resonantly Enhanced Multi-Photon Ionization – Time Of Flight), nous avons étudié d'une part, la conversion de spin nucléaire de la molécule d'hydrogène H2 sur une surface de glace d'eau amorphe poreuse et d'autre part les processus de formation de cette molécule, qui est la plus abondante dans le milieu interstellaire, sur des surfaces simulant des grains de poussière interstellaire. Les résultats de cette étude présentent un intérêt capital en astrophysique. En effet cette formation ne peut se produire en phase gaz mais peut être expliquée par la rencontre de deux atomes d'hydrogène sur un grain de poussière du milieu interstellaire qui joue le rôle de catalyseur. Différents processus sont impliqués dans la formation de H2 qu'il s'agit d'identifier. Dans ce but, je présente des résultats entièrement nouveaux sur la formation de H2 moléculaire sur une surface de silicate amorphe. Je montre que la molécule peut se former dans un état rovibrationnellement excité de son niveau fondamental jusqu'à une température d'environ 70K et qu'elle est relâchée dans la phase gaz immédiatement après sa formation. Ces résultats démontrent la compétition entre deux mécanismes de formation à très basses température (<18 K) tandis qu'un autre mécanisme prend le relais jusqu'à 70K. / The work that I present in this thesis is primarily an experimental work carried out in the LAMAp laboratory at the University of Cergy-Pontoise, using the experimental device called FORMOLISM. The main components of this device are: ultra-high vacuum (10-10 mbar), ultra-low temperature (~5 K), atomic jets, TPD mass spectrometry (Thermally Programmed Desorption) and laser spectroscopy using ultraviolet wavelengths around ~200 nm. Thanks to the REMPI-TOF (Resonantly Enhanced Multi-Photon Ionization – Time Of Flight) technique, we have studied i) the nuclear spin conversion of the hydrogen molecule H2 on a porous amorphous water ice surface and ii) the processes of formation of this molecule, which is the most abundant in the interstellar medium, on surfaces simulating interstellar dust grains. The results of this study are of capital interest in astrophysics. Actually, this formation cannot occur in the gas phase but can only be explained by the encounter of two hydrogen atoms on a dust grain in the interstellar medium, the latter playing the role of a catalyst. Different processes are involved in the formation of H2 which require to be identified. With this aim, I present entirely new results on molecular H2 formation on an amorphous silicate surface. I show that the molecule can form in a rovibrationnally excited state of its ground state up to a temperature of about 70 K and that the molecule is released into the gas phase immediately after its formation. These results demonstrate the competition between two mechanisms of formation at very low temperature (<18 K) while another mechanism takes over up to 70 K.

Les étoiles de type solaire se forment par l'effondrement d'un nuage moléculaire, durant lequel la matière s'organise autour de l'étoile en formation sous la forme d'un disque, appelé disque protoplanétaire. Dans ce disque se forment les planètes, comètes et autres objets du système stellaire. La nature de ces objets peut donc avoir un lien avec l'histoire de la matière du disque.J'ai étudié l'évolution chimique et physique de cette matière, du nuage au disque, à l'aide du code de chimie gaz-grain Nautilus.Une étude de sensibilité à divers paramètres du modèle (comme les abondances élémentaires et les paramètres de chimie de surface) a été réalisée. Notamment, la mise à jour des constantes de vitesse et des rapports de branchement des réactions de notre réseau chimique s'est avérée influente sur de nombreux points, comme les abondances de certaines espèces chimiques, et la sensibilité du modèle à ses autres paramètres.Plusieurs modèles physiques d'effondrement ont également été considérés. L'approche la plus complexe et la plus consistante a été d'interfacer notre code de chimie avec le code radiatif magnétohydrodynamique de formation stellaire RAMSES, pour modéliser en trois dimensions l'évolution physique et chimique de la formation d'un jeune disque. Notre étude a démontré que le disque garde une trace de l'histoire passée de la matière, et sa composition chimique est donc sensible aux conditions initiales. / Low mass stars, like our Sun, are born from the collapse of a molecular cloud. The matter falls in the center of the cloud, creating a protoplanetary disk surrounding a protostar. Planets and other solar system bodies will be formed in the disk.The chemical composition of the interstellar matter and its evolution during the formation of the disk are important to better understand the formation process of these objects.I studied the chemical and physical evolution of this matter, from the cloud to the disk, using the chemical gas-grain code Nautilus.A sensitivity study to some parameters of the code (such as elemental abundances and parameters of grain surface chemistry) has been done. More particularly, the updates of rate coefficients and branching ratios of the reactions of our chemical network showed their importance, such as on the abundances of some chemical species, and on the code sensitivity to others parameters.Several physical models of collapsing dense core have also been considered. The more complex and solid approach has been to interface our chemical code with the radiation-magneto-hydrodynamic model of stellar formation RAMSES, in order to model in three dimensions the physical and chemical evolution of a young disk formation. Our study showed that the disk keeps imprints of the past history of the matter, and so its chemical composition is sensitive to the initial conditions.

Dans le milieu interstellaire (MIS) les grains de poussière jouent un rôle très important pour la chimie au sein des nuages moléculaires offrant une surface froide sur laquelle les atomes et molécules de la phase gazeuse vont s'accréter, formant un manteau de glace. Les nuages moléculaires sont caractérisés par des basses températures (10-50 K) et sont le lieu de formation des étoiles. Après effondrement gravitationnel du nuage suite à une trop forte densité en son sein, celui-ci devient le lieu de formation d'une nouvelle étoile. L'enveloppe autour de l'étoile évolue en disque dans lequel pourra se former des planètes, astéroïdes, comètes et autres objets d'un système planétaire. Durant cette formation stellaire, les glaces interstellaires (et les molécules qu'elles contiennent) sont alors soumises à plusieurs processus énergétiques (cycle de réchauffement, irradiations par des photons UV ou des particules chargées) qui vont affecter leurs compositions chimiques et finalement augmenter la complexité moléculaire avant leur incorporation dans les différentes objets du futur système planétaire. En laboratoire, afin de mieux comprendre l'évolution des molécules, composantes des glaces, nous avons développé une nouvelle approche qui consiste à réaliser des analogues "spécifiques" auxquels un seul processus énergétique à la fois est appliqué. Nous avons alors montré l'importance de l'effet thermique longtemps négligé pour la formation de molécules organiques complexes, montrant plusieurs implications astrophysiques et exobiologiques. Nos études permettent une meilleure compréhension des processus chimiques qui ont lieu dans la phase solide du MIS. / Dust grains in the interstellar medium (ISM) play an important role in dense molecular clouds chemistry in providing a surface (catalyst) upon which atoms and molecules can freeze out, forming icy mantles. Dense molecular clouds are characterized by low temperature (10-50 K) and represent the birth sites of stars. After a gravitational breakdown, a part of the dense molecular cloud collapses toward the formation of star and subsequently a protoplanetary disk from which planets, asteroids and comets will appear. During this evolution, interstellar organic material inside ices undergoes different range of chemical alterations (thermal cycling process, ultraviolet photons, cosmic rays irradiation) hence increasing the molecular complexity before their incorporation inside precometary ices. In laboratory, in order to better understand the evolution of molecules in interstellar ices, we developed a new approach by making "specifics" interstellar ices analogues submitted to one energetic process at time. Consequently we showed the importance of thermal reactivity (neglected effect for long time) for the formation of complexes organics molecules (HMT, trimers, aminoalcools) which are more refractory compounds than water. Our works have many implications in astrophysics since we gave crucial informations on the chemical processes that are happening in solid phase chemistry of the ISM, and on the formation of news molecules which could be incorporated in parent's body of meteorites/comets. We also show some Exobiological implications particularly for the formations of amino acids in the ISM.

L'hydrogène moléculaire est la molécule la plus simple et la plus répandue dans l'Univers. Elle se présente sous deux formes, ortho- et para- H$_2$, correspondant aux différents alignements des spins de ses deux noyaux. Le rapport ortho/para de H$_2$ est un paramètre essentiel pour comprendre les processus collisionnels inélastiques et réactifs dans les milieux astrophysiques moléculaires. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la détermination de ce rapport dans les nuages sombres, régions où H$_2$ ne peut pas être observée directement. Dans ce but, nous avons utilisé la molécule de formaldéhyde (H$_2$CO) dont l'excitation rotationnelle dans ces sources est dominée par les collisions avec H$_2$. Une transition particulière a été choisie pour cette étude : la raie à 6 cm (4,8 GHz) de ortho-H$_2$CO observée en absorption devant le fond diffus cosmologique. Si des études précédentes ont montré que cette absorption (antimaser) peut être expliquée par des effets collisionnels, aucune n'a étudié jusqu'à présent l'impact des formes ortho- et para-H$_2$ sur l'absorption. Nous présentons, dans un premier temps, nos calculs haute-précision des taux d'excitation rotationnelle entre (ortho-,para-)H$_2$CO et (ortho-,para-)H$_2$. Nous montrons qu'il existe des différences significatives sur les taux de collisions selon le type de projectiles, et en particulier qu'il existe des différences entre ortho- et para-H$_2$. Nous présentons ensuite l'utilisation de ces taux dans un modèle de transfert radiatif afin de reproduire les observations que nous avons menées au Green Bank Telescope sur la transition a 6 cm de ortho-H$_2$CO en direction de 3 nuages sombres (B68, L134N et TMC-1). Nous montrons que les différences dans les taux de collisions calculés avec ortho- et para-H$_2$ ont un impact significatif sur les simulations, nous permettant ainsi d'apporter des contraintes sur la valeur du rapport ortho/para de H$_2$ dans ces milieux. Nous traitons en particulier l'exemple de B68, prototype de c\oe ur pre-stellaire.