A theoretical study of elementary processes in interstellar plasma - Université de Bordeaux Access content directly
Theses Year : 2023

A theoretical study of elementary processes in interstellar plasma

Une étude théorique de processus élémentaires dans le plasma interstellaire

Joshua Forer
  • Function : Author
  • PersonId : 1320243
  • IdRef : 273634372

Abstract

Plasma is the most abundant phase of matter — stars, solar wind, and the interstellar medium — are considered plasmas. Clouds of gas and dust with varying degrees of ionization in the latter are an important early step in star formation, which determines the structure and evolution of galaxies. To understand star formation, it is necessary to understand the chemical interactions that drive interstellar cloud dynamics. Hundreds of molecules have been detected in the interstellar medium (ISM) — the matter between stars — but only eight anions have been detected. There is still some debate about how these are formed; one proposed mechanism is the radiative attachment of a free electron to a neutral molecule, resulting in a stable anion after the system releases energy via photon emission. Previous theoretical calculations have obtained cross sections for radiative electron attachment (REA) to CN, C3N, and C5N, but the resulting rate coefficients are too low to explain the formation of their respective anions. Later suggested was that dipole-bound states (DBSs) could enhance the formation of negative molecular ions via REA. DBSs are weakly bound anionic states in which an electron is bound at large distances to the permanent dipole moment of the neutral molecule — akin to Rydberg states in neutral molecules except that there are typically only a small number of them. However, REA cross sections depend cubically on the emitted photon frequency, which is very small for a DBS, so one would expect that the resulting rate coefficients are small as well. This study investigates the formation of C3N- by REA via DBSs to rotating C3N using an accurate ab initio approach with electronic and rotational resolution. DBS wavefunctions were calculated and used to determine REA cross sections that imply even smaller rate coefficients, suggesting that C3N- is formed by a different mechanisms in the ISM. Dissociative recombination (DR) — the process in which a free electron encounters a molecular cation and is captured into a temporary bound state that leads to dissociation of the neutral molecule — is a major destruction mechanism in plasmas. This study investigates the low-energy DR of the CF+ and CH+ molecular ions. The former plays an important role in the fluorine chemistry of interstellar clouds. The latter has proven difficult to study because it is an open-shell molecule with low-lying electronic resonances. There are two mechanisms of DR: the direct and indirect mechanisms. Direct DR is driven by direct capture of the electron into an excited dissociative state of the neutral molecule, while indirect DR is driven by capture of the incident electron into Rydberg resonances converging to one of the electronic states of the ion. The relative importance of these mechanisms is not usually known a priori . In certain molecules, like CH+, both mechanisms may be important at low energies. CH+ has several low-lying electronic resonances due to its low-lying excited state, but also has neutral dissociative states of CH that cross its the potential energy curve of its ground electronic state near the Franck-Condon region. This study describes an approach to uniformly treat the direct and indirect DR mechanisms for a diatomic using R-matrix scattering, frame vibrational and rotational frame transformations, and multichannel quantum defect theory. The method works for open-shell (CH+) and closed-shell (CF+) ions with or without low-lying electronic resonances. The calculated DR cross sections for CF+ and CH+ agree well with experimental results. The calculated CH+ results agree well with a recent rotationally state-selected storage ring experiment at the Cryogenic Storage Ring, and better than previous theoretical studies overall. Additionally, vibrational, vibronic, and rotational excitation cross sections are obtained with the present DR method and compared to previous calculations with overall good agreement.
Le plasma est le plus abondant des états de la matière — les étoiles, le vent solaire, et le milieu interstellaire sont considérés comme des plasmas. Des nuages de gaz et de poussière composant ce dernier sont une première étape importante de la formation des étoiles, qui déterminent la structure et l’évolution des galaxies. Pour comprendre leur genèse, il faut comprendre les interactions chimiques qui régissent la dynamique des nuages interstellaires. Des centaines de molécules ont été détectées dans le milieu interstellaire (ISM) — la matière entre les étoiles — mais seulement huit d’entre elles ont une charge négative. On ne sait toujours pas comment ces molécules sont formées ; un mécanisme proposé est l’attachement radiatif d’un électron libre à une molécule neutre, ce qui donne une molécule négative stabilisée par une perte d’énergie via l’émission d’un photon. Des études théoriques précédentes ont trouvé que leurs taux d’attachement électronique radiatif à CN, C3N, et C5N sont trop faibles pour expliquer la formations de leurs anions respectifs dans l’ISM. L’attachement électronique via les états liés au moment dipolaire (DBS) surcritique de la molécule neutre ont été proposés par la suite comme mécanisme qui pourrait améliorer les taux de réaction. Cependant, la section efficace est une fonction du cube de la fréquence du photon émis, qui est très faible pour un DBS, donc on s’attendrait à que les taux soient eux aussi plus petits. Cette thèse considère la formation de C3N- par l’attachement électronique via les DBS à C3N utilisant une approche ab initio précise avec des degrés de liberté électroniques et rotationnels. Les fonctions d’onde des DBS ont été calculés et utilisées pour obtenir les sections efficaces d’attachement électronique qui impliquent des taux de réaction encore plus faibles, ce qui suggère que C3N- est créée par un autre mécanisme dans l’ISM. La recombinaison dissociative (DR) — le processus par lequel un électron libre rencontre un cation moléculaire et est capturé dans un état lié temporaire qui mène à la dissociation de la molécule neutre — est un mécanisme de destruction important dans le plasma. Cette étude considère la DR à basse énergie de CF+ et de CH+. La DR de CH+ est difficile à étudier vu que CH+ est une molécule avec une couche ouverte avec des résonances électroniques basses. Il existe deux mécanismes de DR : direct et indirect. La DR directe est déterminée par les résonances dissociatives du neutre dans lesquelles l’électron impactant est capturé, tandis que la DR indirecte est contrôlée par la capture de l’électron dans des résonances Rydberg convergeant vers les états électroniques de l’ion. L’importance relative des ces mécanismes n’est généralement pas connue à priori. Pour certaines molécules, comme par exemple CH+, les deux mécanismes pourraient être importants à basse énergie. Cette thèse décrit une méthode pour traiter uniformément les mécanismes directes et indirectes de la DR pour un ion diatomique utilisant une des calculs R-matrice, des transformations de repère vibrationnels et rotationnels, et la théorie de défauts quantiques multicanaux. La méthode fonctionne pour les ions avec des couches ouvertes (CH+) ou fermées (CF+) avec ou sans résonances à basse énergie. Les sections efficaces théoriques pour CF+ et CH+ sont en accord avec des résultats expérimentaux. Celles pour CH+, en particulier, concordent bien avec celles de l’expérience récente au Cryogenic Storage Ring, qui ont une résolution rotationnelle, et mieux que celles des études théoriques précédentes, globalement. Par ailleurs, des sections efficaces d’excitation vibronique, vibrationnelle, et rotationnelle sont obtenues avec la méthode susmentionnée et sont comparées à des calculs précédents avec un bon accord général.
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Dates and versions

tel-04324669 , version 1 (05-12-2023)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04324669 , version 1

Cite

Joshua Forer. A theoretical study of elementary processes in interstellar plasma. Other. Université de Bordeaux; University of Central Florida (Orlando), 2023. English. ⟨NNT : 2023BORD0227⟩. ⟨tel-04324669⟩
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