Décrire théoriquement l'activité chimique complexe du milieu interstellaire et calculer les abondances moléculaires qui en découlent, est un des aspects d'une étude globale d'un milieu qui présente des conditions physiques totalement étrangères aux possibilités terrestres. Nous avons mis au point un code informatique automatique qui résoud les équations cinétiques de la chimie couplées au calcul des taux de photodestruction des espèces moléculaires exposées au champ de rayonnement UV interstellaire. Dans le cas d'un nuage interstellaire l'hypothèse d'équilibre chimique a été adoptée, dans le cas d'une enveloppe circumstellaire en expansion un globule de matière est suivi au cours de son périple dans un formalisme Lagrangien. L'utilisation de ce code numérique ainsi que des observations millimétriques effectuées sur POM-1 à l'Observatoire de Bordeaux et sur l'antenne de 30 mètres de l'IRAM à Pico Veleta en Espagne, ont permis - d'étudier la corrélation 13CO/Av dans deux nuages sombres (L1506 et L1529) du complexe du Taureau et de discuter les variations d'abondance des isotopes de CO à travers toute la région Taureau-Persée; - de modéliser le nuage moléculaire qui se trouve sur la ligne de visée de l'étoile HD 29647 dans Heiles Cloud 2, et qui est un nuage intermédiaire entre le milieu diffus et les nuages moléculaires denses ; - d'étudier la chimie de l'azote dans les enveloppes circumstellaires oxygénées, sur la base de nouvelles détections de HCN dans des étoiles OH/IR géantes ou supergéantes.

La première partie de ce travail concerne la recherche de nouvelles molécules interstellaires et circumstellaires. Après une description des divers hamiltoniens utilisés pour le calcul des fréquences des spectres moléculaires dans le domaine des ondes millimétriques,elle expose la recherche et la détection de nouvelles molécules, à l'aide d'observations réalisées avec le radiotélescope de 30m de l 'IRAM, ainsi que la couverture spectrale, effectuée à 2mm et 3mm, de l'émission de l'enveloppe circumstellaire IRC+ 10216. La deuxième partie de ce travail est consacrée à la détermination de rapports d'abondances isotopiques dans des enveloppes circumstellaires de Géantes Rouges, à partir d'observations millimétriques de raies moléculaires. Les rapports isotopiques du carbone, de l'azote, du soufre et du silicium sont mesurés dans l'enveloppe d'une étoile carbonée, IRC+10216; ceux du carbone, dans quatre enveloppes d'étoiles de type J (Y CVn, RY Dra, T Lyr, et WZ Cas); ceux de l'oxygène, dans deux étoiles carbonées (CIT6 et IRC+10216), deux pre-nébuleuses planétaires (CRL618 et CRL2688) et une nébuleuse planétaire (NGC7027). Les rapports isotopiques ainsi mesurés sont comparés aux valeurs déduites d'observations infrarouge, ainsi qu'aux prédictions des modèles théoriques des processus de nucléosynthèse et de mélange dans les étoiles de type Géantes Rouges.

La proximité (= 300 pc du Soleil) et son intense activité de formation d'étoiles, font du complexe de Persée une région unique pour l'étude détaillée des interactions entre les nuages gazeux et les étoiles jeunes. Nous avons étudié au moyen de comptages d'étoiles et ,d'observation de molécules (CO,13 CO ,C18 0, HCO+, H13CO+, NH 3 , HC 3 N) la quasi-totalité du complexe. Dans le nuage moléculaire, nous distinguons 10 condensations (AV ~ 2- 3 mag), de quelques centaines de masses solaires chacune, où se trouvent des coeurs denses (nH2 = 1- 4 10 4 cm- 3 ). Le pourcentage de la masse dans ces coeurs est 2- 5 % de la masse totale. L'émission de 13 CO (J=1-0) est très bien correlée à l'extinction visuelle (dans l'intervalle 1 <= AV <=5 mag ). Cet isotope apparaît comme le traceur privilégié des nuages étendus. Nous mettons en évidence un fort accroissement de la température du gaz au bord nord - est du nuage. Ce chauffage est vraisemblablement dû au champ ultraviolet intense des étoiles 0 et B du voisinage. Le changement systématique de vitesse observé dans le nuage de Persée est expliqué par un mouvement d'expansion. Cet hypothèse s'accorde bien à la distribution à plus grande échelle observée en HI. L'explosion d'une supernova, il y a quelques millions d'années, pourraît être à l'origine de l'expansion.

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.

L’étude des mécanismes de formation et de destruction des anions moléculaires est devenu un champ d’intérêt prononcé après la détection récente de six anions moléculaires (C4H-, C6H-, C8H-, CN-, C3N-, C5N-) dans le milieu interstellaire.Dans les environnements interstellaires où la densité d’électrons est relativement importante, le canal principal de formation de ces anions devrait être l’attachement électronique radiatif. Mais il manque aujourd’hui des données expérimentales et théoriques permettant d’évaluer cette hypothèse. D’autre part, le photodétachement est la principale cause de destruction de ces anions dans les nuages diffus et les régions de photodissociation. Une approche basée sur un développement monocentrique est appliquée à l’étude de ces deux processus opposés que sont le photodétachement et l’attachement électronique radiatif. Les résultats obtenus avec la présente méthode sont comparés à des données expérimentales et théoriques précédemment rapportées et montrent un bon accord. Cette méthode est ensuite utilisée pour déterminer les constantes de vitesse nécessaires pour confirmer si ces mécanismes sont cruciaux pour la chimie d’anions interstellaires. En plus des constantes de vitesse de formation et de destruction des anions, les constantes de vitesse d’excitation collisionnelle sont nécessaires pour modéliser les abondances observées des anions. Nous avons choisi de porter notre effort sur le calcul des constantes de vitesse de transition entre états rotationels de la molécule C3N- dans son état vibrationnel fondamental lors des collisions avec H2 et He en utilisant de nouvelles surfaces d’énergie potentielles. / The mechanisms of formation and destruction of molecular anions have become a field of special interest after the recent detection of six molecular anions (C4H-,C6H-, C8H-, CN-, C3N-, C5N-) in the interstellar medium. The main channel of formation of these anions is expected to be radiative electron attachment in environments where the density of electron is relatively important. There is however at themoment a lack of experimental and theoretical data allowing to assess this hypothesis. Photodetachment, on the other hand, is the main source of destruction of the anions in diffuse clouds and photodissociation regions. A single center expansion approach is applied to the study of both processes: photodetachment and radiative electron attachment. The results obtained with the present method are compared to previously reported experimental and theoretical data and show a good agreement.This method is then employed to determine the rate constants which are needed to confirm whether or not these mechanisms are crucial for the chemistry of the interstellar anions. Along with the formation and destruction rates, rotational excitation rate coefficients are needed to accurately model the observed anions abundances.We focus on the calculation of state-to-state rotational transitions rate coefficients of the C3N- molecule in its ground vibrational state in collisions with H2 and He using new potential energy surfaces

Les carbones amorphes hydrogénés (a-C:H ou HAC) constituent une composante importante de la poussière interstellaire. Ces grains hydrocarbonés sont observés au travers de bandes d'absorption IR à 3.4, 6.9 et 7.3 microns, caractéristiques des vibrations des liaisons C-H aliphatiques. Leurs signatures spectrales sont détectées dans le milieu interstellaire diffus de différentes lignes de visée de la Voie Lactée, mais aussi de nombreuses autres galaxies. Cette thèse porte sur l'étude de ces a-C:H interstellaires, à la fois au travers d'observations de ces poussières, et grâce à la synthèse et la caractérisation d'analogues de laboratoire.Une première partie de mon travail de thèse est consacrée à l'observation de la bande à 3.4 microns des a-C:H du milieu interstellaire diffus galactique en direction de la source IRAS 18511+0146. La bande d'absorption des modes d'élongation C-H détectée dans cette direction, vers différentes lignes de visée proches les unes des autres, présente des profondeurs optiques similaires et les plus fortes observées dans la Voie Lactée en dehors du centre galactique. Différentes interprétations de la profonde bande dans cette direction sont discutées.Des analogues de ces poussières carbonées aliphatiques ont été synthétisés en laboratoire, sous forme de films, grâce à un plasma, et reproduisent bien les bandes IR observées dans le milieu interstellaire diffus. Ces échantillons ont été caractérisés par spectroscopie d'absorption dans l'UV-visible et l'IR.Puisque les a-C:H émettent un rayonnement visible après absorption de photons UV ou visibles, une partie de la thèse est consacrée à une étude systématique de cette photoluminescence. Pour la première fois, les rendements absolus et intrinsèques de photoluminescence d'a-C:H sont déterminés pour une large gamme de longueurs d'onde d'excitation. Les propriétés de la photoluminescence des a-C:H sont confrontées aux observations de l'Emission Rouge Etendue, une large bande d'émission interstellaire dont les porteurs ne sont pas identifiés.Afin de déduire l'influence des rayons cosmiques sur ces poussières carbonées, les analogues produits ont été irradiés par différents ions énergétiques dont le dépôt d'énergie est similaire à celui du rayonnement cosmique interstellaire. Les effets induits ont été suivies par IR. L'analyse de la déshydrogénation des a-C:H observée au travers de la disparition progressive des bandes des C-H aliphatiques permet de déduire l'évolution de ces poussières interstellaires et de leurs signatures spectrales sous l'effet des rayons cosmiques. La destruction induite par les rayons cosmiques est comparée aux effets de l'exposition aux photons UV et aux atomes d'hydrogène afin d'interpréter l'évolution de la bande d'absorption à 3.4 microns observée dans le milieu interstellaire diffus, mais pas dans les nuages denses.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Lasers, Molécules et Rayonnement Atmosphérique : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3679. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre.

PILOT (Polarized Instrument for Long wavelength Observation of the Tenuous interstellar medium) est une expérience embarquée en ballon stratosphérique destinée à la mesure de l'émission polarisée de notre galaxie dans le submillimétrique. La charge pointée de PILOT est composée d'un télescope au foyer duquel est placée une caméra embarquant 2048 bolomètres, refroidis à 300 mK, mesurant dans deux bandes spectrales (240 µm et 550 µm) et deux polarisations. La détection de la polarisation est réalisée à l'aide d'un polariseur placé à 45° dans le faisceau, le décomposant en deux composantes polarisées orthogonales chacune détectée par un bloc détecteur, et d'une lame demi-onde rotative. L'Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay, France) est responsable de la réalisation, de l'intégration, des tests et de l'étalonnage spectral de la caméra. Pour cela deux bancs de mesures sont développés, un pour les essais d'imagerie et de polarisation, et un pour l'étalonnage spectral. L'expérimentation permet de valider l'alignement des optiques froides, de caractériser la qualité optique des images, de caractériser les réponses temporelles et en intensité des détecteurs, et de mesurer la réponse spectrale de la caméra. Un modèle photométrique de l'instrument est développé simulant les différentes configurations pour les essais d'étalonnage spectral, d'imagerie en laboratoire, et en vol, ceci afin d'estimer la puissance totale reçue par chaque pixel du détecteur de chaque configuration. Cette puissance totale est issue de l'émission thermique de l'instrument, de l'atmosphère et des sources observées en vol ou de l'environnement du laboratoire. Une campagne de tests a permis de caractériser et d'étalonner la caméra de l'expérience PILOT. Les premières images dans le domaine du submillimétrique ont été révélées, et les premières réponses spectrales mesurées. Suite à la caractérisation et l'étalonnage spectral, la caméra est alignée avec le miroir primaire sur la nacelle CNES pour des caractérisations et des étalonnages en polarisation de l'instrument complet. Le premier vol est prévu pour le milieu de l'année 2014.

PILOT (Polarized Instrument for Long wavelength Observation of the Tenuous interstellar medium) est une expérience embarquée en ballon stratosphérique destinée à la mesure de l'émission polarisée de notre galaxie dans le submillimétrique. La charge pointée de PILOT est composée d'un télescope au foyer duquel est placée une caméra embarquant 2048 bolomètres, refroidis à 300 mK, mesurant dans deux bandes spectrales (240 µm et 550 µm) et deux polarisations. La détection de la polarisation est réalisée à l'aide d'un polariseur placé à 45° dans le faisceau, le décomposant en deux composantes polarisées orthogonales chacune détectée par un bloc détecteur, et d'une lame demi-onde rotative. L'Institut d'Astrophysique Spatiale (Orsay, France) est responsable de la réalisation, de l'intégration, des tests et de l'étalonnage spectral de la caméra. Pour cela deux bancs de mesures sont développés, un pour les essais d'imagerie et de polarisation, et un pour l'étalonnage spectral. L'expérimentation permet de valider l'alignement des optiques froides, de caractériser la qualité optique des images, de caractériser les réponses temporelles et en intensité des détecteurs, et de mesurer la réponse spectrale de la caméra. Un modèle photométrique de l'instrument est développé simulant les différentes configurations pour les essais d'étalonnage spectral, d'imagerie en laboratoire, et en vol, ceci afin d'estimer la puissance totale reçue par chaque pixel du détecteur de chaque configuration. Cette puissance totale est issue de l'émission thermique de l'instrument, de l'atmosphère et des sources observées en vol ou de l'environnement du laboratoire. Une campagne de tests a permis de caractériser et d'étalonner la caméra de l'expérience PILOT. Les premières images dans le domaine du submillimétrique ont été révélées, et les premières réponses spectrales mesurées. Suite à la caractérisation et l'étalonnage spectral, la caméra est alignée avec le miroir primaire sur la nacelle CNES pour des caractérisations et des étalonnages en polarisation de l'instrument complet. Le premier vol est prévu pour le milieu de l'année 2014.

Les protoétoiles de masse intermédiaire (IM) (2 ≤ M* ≤ 8 Msun) sont le lien entre les étoiles de faible et haute masse car elles couvrent également un intervalle intermédiaire de luminosités, de densités et de températures [Fuente et al., 2012]. Même si les « IM-YSOs » jouent un rôle important dans l'étude de la formation des étoiles, on a très peu de connaissances sur la formation et l'évolution des premières étapes des protoétoiles de masse intermédiaire. Les études systématiques spectrales sont un outil puissant pour caractériser la composition chimique d'un objet astrophysique, et la seule façon d'obtenir un recensement complet des espèces chimiques. Une étude spectrale fournit également des lignes multiples de la même molécule, donnant la possibilité d'une analyse multifréquences ainsi que d'une modélisation. En outre, grâce aux profils des raies, nous pouvons obtenir des informations sur la cinématique, et identifier les structures au long de la ligne de vue, en tant que sources multiples, des jets ou des cavités, par exemple, [Caux et al., 2011]. Les phénomènes d'éjection (jets, des vents et des « outflows » bipolaires moléculaires), sont une phase inhérente au processus de formation d'étoiles observées dans les YSOs de toutes masses dans des longueurs d'onde millimétriques. Cependant, il n'y a pas d'études systématiques dans l'intervalle de masse intermédiaire comme dans le cas des protoétoiles de faible et haute masse. Compte tenu de l'absence d'une étude systématique de la partie mm/submillimétrique dans le spectre des protoétoiles de masse intermédiaire, au cours de ma thèse, j'ai mené une étude systématique spectrale vers la protoétoile de masse intermédiaire de classe 0 Cep E et de son « outflow » moléculaire. / Intermediate-mass (IM) protostars (2 ≤ M∗ ≤8 Msun) are the link between low and the high mass stars as they cover also an intermediate range of luminosities, densities and temperatures [Fuente et al., 2012]. Even though the IM-YSOs are important in the study of star formation, very little is known about the formation and first evolutionary stages of IM protostars. Unbiased spectral surveys are a powerful tool to characterize the chemical composition of an astrophysical object, and the only way to obtain a complete census of the chemical species. A spectral survey provides also multiple lines from the same molecule, giving the possibility of a multi-frequency analysis and modeling. Also, through line profiles, we can obtain kinematic information, and identify structures along the line of sight, as multiple sources, outflows, jets or cavities, e.g. [Caux et al., 2011]. The outflow phenomena (jets, winds and bipolar molecular outflows), are an inherent phase in the process of star formation observed in YSOs of all range of masses at millimeter wavelengths. However, there are not systematic studies in IM range as in the case of of low- and high-mass protostars. Given the lack of a systematic study of the mm/submm spectrum of IM protostars, during my thesis I carried out an unbiased spectral survey towards IM Class 0 Cep E protostar and its molecular outflow.