Comment l'hydrogène fantôme réécrit la chimie du cosmos express
Une balle roule vers une colline, mais elle n'a pas assez d'énergie – elle redescend. C'est ce que dicte la mécanique classique. Dans le monde quantique, une particule minuscule traverse parfois la colline comme si l'obstacle n'existait pas. Ce tour de passe-passe – l'effet tunnel – est monnaie courante pour l'atome léger d'hydrogène.
Dans les nuages froids du milieu interstellaire, la température descend à dix degrés au-dessus du zéro absolu. Il n'y a presque pas d'énergie pour les collisions chimiques, mais c'est pourtant là que naissent des molécules complexes – notamment des molécules aromatiques, semblables à des cycles benzéniques. Les auteurs de l'étude ont vérifié à quelle fréquence l'atome d'hydrogène utilise son astuce quantique pour accélérer les réactions avec l'hydrogène moléculaire H₂. Ils ont passé au crible la grande base de données KIDA et ont trouvé 64 réactions où l'effet tunnel peut jouer un rôle.
Les quatre réactions les plus intéressantes ont été étudiées à l'aide de nouveaux calculs de surfaces d'énergie potentielle et de la méthode RRKM. Pour les radicaux C₂H, OH et CN, les vitesses sont de 1.66×10⁻¹⁵, 8.17×10⁻¹⁶ et 3.15×10⁻¹⁶ cm³/s – des valeurs infinitésimales. Mais en raison de l'immense abondance de H₂, ces réactions parviennent à transformer une fraction notable des radicaux et entrent en compétition avec d'autres processus. En revanche, pour NH₂, l'effet tunnel n'a pas aidé : la vitesse est trop faible, même à l'échelle cosmique.
Ensuite, les scientifiques ont modélisé l'impact de ces réactions accélérées sur l'abondance des molécules aromatiques. Ils se sont particulièrement intéressés à l'ion cyclopropénylium c-C₆H₅⁺ – un acteur clé dans la formation des cycles benzéniques. En faisant varier la vitesse des réactions qui l'impliquent, les auteurs ont obtenu des bornes supérieures et inférieures pour les concentrations d'aromatiques dans un nuage moléculaire typique. L'effet tunnel de l'hydrogène peut déplacer sensiblement ces estimations – ce qui signifie que nos modèles de chimie interstellaire doivent être mis à jour pour comprendre d'où viennent les molécules organiques complexes dans l'espace.
À une température de 10 K, la plupart des réactions chimiques sont gelées, mais l'effet tunnel permet à l'atome d'hydrogène de s'infiltrer à travers la barrière d'énergie, comme l'eau à travers les fissures d'une pierre – lentement, mais inexorablement.
Dans le roman « Blindness » de Peter Watts, des formes de vie extraterrestres utilisent des effets quantiques pour survivre dans des environnements extrêmes – un peu comme l'hydrogène tunnelant aide à construire des molécules dans l'espace profond.