Dynamics of molecular hydrogen formation on an interstellar dust
Dynamique de la formation d'hydrogène moléculaire sur une poussière interstellaire
Résumé
In the interstellar medium (ISM), the formation of H_2 molecules is catalyzed by a dust grain: H+H+grain -> grain+ H_2 Two mechanisms can account for this reaction: the Eley-Rideal (ER) mechanism and the Langmuir-Hinshelwood (LH) mechanism. The wavepacket method has been used to study these two mechanisms at the low temperatures of the ISM. The numerical effort has been reduced by the use of an L shaped grid and of the mapping technique applied to multidimensional grids. The energy collision range studied lies between 0.4meV and 46meV for the ER mechanism and between 4meV and 50meV for the LH mechanism. The ER mechanism has been investigated in collinear geometry on a graphite surface (0001), one of the C atoms of the grain being allowed to move. Taking into account this surface relaxation favors the reaction. Nevertheless, the efficiency of the ER mechanism in ISM condition is poor, because of a small barrier in the entrance valley. The LH mechanism has been studied in full dimensionality on a flat and rigid surface. The main result is that this mechanism is very efficient: in typical ISM conditions, the time for an H atom to diffuse on the grain, to collide another H atom, and to desorb in an H_2 molecule is smaller than the time between two H-grain collision. The reaction does not induce any noticeable effect on the ortho-H_2 / para-H_2 ratio. Now, just like for the ER mechanism, LH reaction yields a huge amount of vibrational excitation.
Dans le milieu interstellaire (MIS), la formation de la molécule H_2 est catalysée par un grain de poussière : H+H+grain -> grain+ H_2 Deux mécanismes principaux correspondent à cette réaction: le mécanisme Eley-Rideal (ER) et le mécanisme Langmuir-Hinshelwood (LH). Les techniques de propagation de paquets d'ondes ont été utilisées pour étudier ces deux mécanismes aux faibles températures qui règnent dans le MIS. Pour rendre possible le calcul, il a fallu utiliser une grille en L et appliquer la technique de réduction de grille dite de « mapping » sur des grilles multidimensionnelles. Ceci a permis de couvrir une gamme d'énergie de collision comprise entre 0,4meV et 46meV pour le mécanisme ER, et entre 4meV et 50meV pour le mécanisme LH. Le mécanisme ER a été étudié en géométrie colinéaire sur une surface de graphite (0001), en autorisant le mouvement d'un atome de carbone du grain. Permettre cette relaxation du substrat favorise la réaction. Toutefois le mécanisme ER reste peu efficace dans les conditions de température régnant dans le MIS, du fait d'une petite bosse de potentiel en voie d'entrée. Le mécanisme LH a lui été étudié dans toute sa dimensionnalité sur une surface plane et rigide. Le résultat principal est que ce mécanisme est très efficace : dans des conditions caractéristiques du MIS, le temps mis par un atome H pour diffuser sur le grain, rencontrer un autre atome H, et désorber en H2 est inférieur au temps typique entre deux collisions H-grain. La réaction n'a aucun effet notable sur le rapport ortho- H_2 et para- H_2. En revanche, comme dans le mécanisme ER, elle conduit à une très forte excitation vibrationnelle de H_2.
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