Physique Moléculaire Théorique et Modélisations

La place du GSMA en spectroscopie…

A l’heure où l’écologie, le changement climatique et les risques liés à l’environnement sont au cœur de nombreuses discussions, le rôle des calculs en physique moléculaire au GSMA sera d’y contribuer en étudiant des espèces présentes dans notre atmosphère (gaz à effet de serre, polluants). Pour cela, la spectroscopie est l’outil de diagnostic le plus performant. Pour les mêmes raisons, la demande des planétologues et astrophysiciens auprès de la communauté spectroscopique s’est faite de plus en plus forte ces 30 dernières années et s’est fortement accentuée depuis la mission Cassini/Huygens sur la modélisation de l’atmosphère de Titan et Saturne. Il était alors question de fournir des calculs précis de spectres d’hydrocarbones à basse température. D’autres missions spatiales (en cours et futures) participent également à cet engouement et la série de collaborations étroites entre nous, théoriciens, et les analystes, expérimentateurs et planétologues, Français et internationaux, ne fait que renforcer l’interdisciplinarité de la physique moléculaire. Ces échanges se poursuivent actuellement au travers de projets ambitieux, comme l’étude de différents gaz chauds (petits hydrocarbures) pour les exoplanètes. Cela démontre à quel point il est nécessaire d’avoir à disposition des données moléculaires fiables sur des gammes spectrales étendues et à différentes températures (50-3000 K).

C’est dans ce contexte scientifique que l’apport de la théorie en physique moléculaire va prendre tout son sens. Répondre aux besoins des atmosphéristes, planétologues et/ou astrophysiciens en leur fournissant des calculs d’opacité moléculaire précis est un processus long et fastidieux qui passe inévitablement par la caractérisation d’états moléculaires très excités. Le développement d’outils adaptés devient une réelle nécessité et constitue un véritable défi pour les sciences fondamentales comme la spectroscopie théorique afin de mieux cerner divers processus atmosphériques. Selon le type d’application, les précisions demandées ne seront pas forcément les mêmes et par conséquent les modèles théoriques non plus. Par exemple, pour l’étude de l’atmosphère terrestre, des précisions spectroscopiques--voire métrologiques--seront parfois exigées, à la fois sur les positions (≤10-3 cm-1) et les intensités (0.2-2%). Pour d’autres applications, comme c’est le cas en planétologie ou en astrophysique, les précisions demandées—en particulier sur les positions des raies individuelles--seront bien moins drastiques mais en contrepartie la notion de complétude « pouvoir tout prédire, partout » sera la clé du problème pour des calculs d’opacité fiables. Le GSMA possède cette double compétence, en effectuant à la fois des calculs basés sur des Hamiltoniens effectifs et des calculs globaux variationnels.

Dépasser les frontières…

La modélisation de ces états quantiques de haute énergie—devenus parfois accessibles grâce aux formidables avancées expérimentales--est un enjeu majeur pour la caractérisation d’objets planétaires/extrasolaires et de leurs atmosphères. Pour y parvenir, et pour ne pas rapidement se heurter à une série de difficultés, nous devons apporter un regard différent de ce qu’il se fait habituellement en spectroscopie et sortir du cadre des modèles effectifs traditionnels. En d’autres termes, nous devons alors dépasser les « frontières » en allant chercher des informations complémentaires provenant d’autres thématiques comme la physico-chimie, la chimie quantique, les mathématiques, la dynamique moléculaire, etc. A l’heure actuelle, partant de calculs ab initio poussés de la structure électronique, nous sommes maintenant capables de prédire--pour de grands nombres d’ondes et pour des températures élevées--des spectres de molécules jusqu’à 6 atomes par résolution directe de l’équation de Schrödinger pour les mouvements nucléaires. Avec l’explosion des puissances de calcul (parallélisés) et la multiplication d’algorithmes optimisés, les précisions maintenant atteintes n’étaient pas envisageables 10 ans en arrière. Le couplage théorie/expérience est là encore crucial puisque l’expérience valide la théorie, permet de la peaufiner et en retour, la théorie peut permettre de cibler une zone spectrale à étudier avec la possibilité de fournir l’information (conditions sur P, L, T) pour de futures expériences.

Les systèmes moléculaires demandés étant de plus en plus gros et complexes, nous devons sans cesse améliorer les outils à disposition afin de répondre au mieux à tous ces besoins. Une extension aux systèmes non-rigides est actuellement en cours de réalisation.