Lumière infrarouge de la nébuleuse d'Orion capturée par la caméra infrarouge du télescope spatial Spitzer. La poussière chauffée par la lumière des étoiles émet principalement à des longueurs d'onde de 8 et 5,8 microns (rouge et orange). Crédit :NASA/JPL-Caltech.
Une nouvelle étude en Lettres d'examen physique révèle que la série de pics de bande infrarouge (IR), collectivement connu sous le nom d'émission IR cosmique non identifiée, résulte du comportement ondulatoire des électrons délocalisés dans les composés hydrocarbonés. Un aspect essentiel de ces composés est qu'ils subissent des transformations structurelles déclenchées par l'absorption de la lumière des étoiles. Ces transformations qualifiées de défauts affectent le mouvement ondulatoire des électrons délocalisés, C'est, électrons qui se déplacent librement à travers plusieurs liaisons carbone-carbone dans les hydrocarbures de type aromatique. L'étude suggère que les caractéristiques spectrales de l'émission cosmique sont expliquées intégralement en décrivant le mouvement des électrons délocalisés autour des défauts structuraux. Ce résultat offre un cadre physique capable de prendre en compte une gamme complète de détails spectraux d'observation dans ce problème scientifique de longue date.
Un phénomène cosmique longtemps débattu associé à la poussière d'étoiles est l'occurrence universelle de caractéristiques de pic d'émission infrarouge, collectivement connues sous le nom de bandes d'émissions infrarouges non identifiées (IUE). Depuis des décennies, cette émission cosmique a été expliquée sur la base de molécules d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) planaires flottant librement dans l'espace. Cependant, de plus en plus de preuves soutiennent l'idée qu'il provient des mêmes hydrocarbures amorphes de poussière d'étoile échantillonnés à partir de météorites. Pourtant, de nombreuses questions demeurent. En particulier, les chercheurs se demandent quelle est la structure chimique moyenne des composés de poussière d'étoiles responsables de ce phénomène. Est-il possible d'expliquer les caractéristiques spectrales observées à partir d'une telle structure ?
Dans l'espace, on pense que les composés contiennent du carbone aromatique sous forme de cycles hexagonaux fusionnés, qui ressemblent à des unités de grillage. Ces unités aromatiques se réchauffent en absorbant la lumière des étoiles, et ensuite refroidi par émission infrarouge à des énergies correspondant aux fréquences auxquelles les liaisons carbonées aromatiques vibrent. De plus, l'absorption de la lumière des étoiles peut également déclencher des changements structurels (photochimiques) dans lesquels les anneaux hexagonaux adoptent d'autres géométries considérées comme des anneaux défectueux.
Schéma structurel d'un composé hydrocarboné désordonné comportant des aromatiques défectueux responsables de l'émission infrarouge cosmique non identifiée. Crédit : lettres d'examen physique
La nouvelle étude basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité montre que les oscillations électroniques délocalisées améliorent les vibrations des liaisons carbone aromatiques. Cet effet est capable d'expliquer les variations de flux de bande de l'émission cosmique, et il émerge grâce à la nature ondulatoire des électrons. Notamment, on constate en outre que l'inclusion de défauts dans les unités aromatiques influence l'oscillation délocalisée de l'onde électronique de manière à régler les fréquences d'émission dans des plages spectrales qui ressemblent aux modèles de bande observés. Pour longtemps, structures planes simples, comme les HAP, ont été pris comme l'origine de l'émission mais cette attribution ne permet pas de comprendre la façon dont ces modèles de bandes émergent. Maintenant, parce que les défauts sont le résultat naturel du traitement à la lumière des étoiles de la poussière dans l'espace, ce résultat offre un cadre physique cohérent qui peut rendre compte d'une gamme complète de caractéristiques spectrales de l'émission cosmique à mesure que la structure chimique des composés se transforme.
Cette étude fournit des informations fondamentales sur la structure chimique des composés impliqués. L'oscillation délocalisée de l'onde électronique (et donc l'émission cosmique) dépend fortement de la géométrie structurelle des bords des unités aromatiques. Cela impose des contraintes strictes sur la structure chimique étant donné que les bandes observées semblent assez similaires quel que soit le type de source astrophysique. Pour rendre compte de cette similitude, l'étude discute que les unités aromatiques, quels que soient leurs bords, doit exister sous confinement par un milieu désordonné constitué de chaînes hydrocarbonées saturées (aliphatiques), ce qui pourrait annuler le mouvement des ondes électroniques aux limites des bords (en raison des interférences des ondes). Ceci fournit un mécanisme compatible capable d'expliquer la régularité de bande d'émission observée. En conséquence, cela implique que les composés responsables de l'émission cosmique sont des structures amorphes consistant en un arrangement désordonné entrelacé d'aromatiques et d'aliphatiques en accord avec l'interprétation de la poussière d'étoile.
