Parmi les différentes structures de l'univers existe ce qu'on appelle le milieu interstellaire (MIS). C'est un endroit où gaz et poussière co-existent et interagissent en parfaite harmonie. L'hydrogène moléculaire est l'espèce la plus abondante et de loin la plus importante du gaz interstellaire. Elle est à la base de trois sur quatre des molécules les plus essentielles à l'apparition de la vie : l'eau, le méthane, l'amine et le monoxyde de carbone. La physico-chimie du MIS qui mène à la formation de nouvelles molécules est divisée en deux : les réactions en phase gazeuse et les réactions sur les grains de poussière qui s'est révélée la voie de formation la plus efficace pour l'hydrogène moléculaire. Ce travail de thèse est une contribution expérimentale à l'étude de l'interaction et de la formation de l'hydrogène moléculaire sur les surface de glace d'eau amorphe qui couvrent les grains de poussière dans les nuages sombres du MIS. Dans ce but, en réunissant techniques ultravides, systèmes cryogéniques, jets atomiques et moléculaires, spectrométrie de masse et modélisation, plusieurs expériences ont été faites en utilisant le dispositif FORMOLISM (FORmation of MOLecules in the InterStellar Medium).

L'hydrogène moléculaire est la molécule la plus abondante dans l'Univers. Il est reconnu que cette molécule ne peut se former que par un processus catalytique. Les études théoriques ont été menées très récemment sur la forstérite [010] cristalline et amorphe. C'est dans ce cadre que se situe notre étude qui porte sur les réactions de formation de l'hydrogène moléculaire sur des modèles de surfaces silicées et silicatées.Dans un premier temps, nous avons étudié la réaction d'abstraction par l'hydrogène atomique à partir du tétramethylsilane en phase gazeuse. La CVT incluant la correction SCT a été appliquée pour étudier la cinétique des réactions dans un intervalle de températures allant de 180 K à 2000 K. Etant donnée l'importance de l'effet tunnel à basse température, nous avons entrepris des calculs de dynamique quantique. Pour ce faire, une surface d'énergie potentielle en coordonnées hyper-sphériques a été construite. Le calcul quantique a été réalisé en utilisant une approche à dimensionnalité réduite à deux dimensions appliquée à ce problème de collision réactive colinéaire. Les résultats montrent que H2 est principalement formé dans son état vibrationnel fondamental. La comparaison avec les résultats expérimentaux réalisés dans le domaine de températures 425-570 K montre un accord satisfaisant. Une étude de formation de H2 sur des nanosilicates a été menée. Les méthodes de la DFT ont permis d'identifier les sites de physisorption et de chimisorption d'atomes d'hydrogène, d'étudier la diffusion de l'atome H physisorbé sur le cluster, de déterminer les caractéristiques énergétiques de ces sites et les énergies d'activation pour la désorption et la recombinaison de H2. / Molecular hydrogen is the most abundant molecule in the Universe. It was recognized long ago that the formation of molecular hydrogen most likely occurs on dust grains. Theoretical studies have focused on H2 formation mainly on model graphite surfaces and very recently on polycrystalline and amorphous foresterite [010]. It is within this framework that lies our study addressing the molecular hydrogen formation on new models of siliceous and silicateous surfaces. First, we studied the abstraction reaction by atomic hydrogen from tetramethylsilane in the gas phase. We used accurate methods of quantum chemistry based on the second-order perturbation theory and on the coupled clusters method. The KIEs and SKIEs were highlighted. CVT/SCT correction was applied to compute the reaction kinetics for a wide temperature range (180-2000 K). Given the importance of the quantum tunnelling effects at low temperatures, we investigated state-selected dynamics using quantum dynamics calculations. In order to achieve this purpose, a two-dimensional potential energy surface in the hyperspherical coordinates representation was built. Quantum calculations were performed using a reduced dimensionality approach applied to this collinear reactive collision problem. The comparison with the experimental results, performed within a temperature range between 425 and 570 K, shows a reasonable agreement.The H2 formation on nanosilicates, prototypes of silicate surfaces, was investigated. Using DFT, we identified physisorption and chemisorption sites for hydrogen atoms, then studied the diffusion of physisorbed hydrogen on the nanoclusters and calculated the energy properties and the activation energies for H2 recombination and desorption into the gas phase. Amorphous/porous grains with forsteritic composition tend to dissociate H2 and that the more crystalline/compact silicate grains would tend to catalyse H2 formation.

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.