Les molécules organiques complexes comportant des cycles, y compris les hydrocarbures aromatiques polycycliques, sont répandues dans le milieu interstellaire et sont considérées comme des éléments constitutifs de la chimie organique. Le cyclopentadiène a été détecté dans le nuage froid TMC-1, mais sa chimie n'est pas entièrement élucidée, et des données précises sur les collisions manquaient. Les travaux voisins dans les archives concernent l'hélium superfluide dans les nanocanaux, de nouvelles molécules dans les nuages froids, la formation de sub-Saturnes, les étoiles massives, des mesures précises de l'hélium-4, les signatures neutrino des étoiles et des nuages moléculaires. Ces travaux se distinguent : ils fournissent pour la première fois des coefficients de collision quantiquement précis pour un cycle à cinq chaînons, ce qui est nécessaire pour la modélisation hors-ETL.
Les auteurs ont utilisé une surface d'énergie potentielle tridimensionnelle pour l'interaction C5H6–He, calculée précédemment par la méthode CCSD(T)-F12b avec la base aug-cc-pVTZ. La diffusion quantique a été décrite par deux méthodes : la méthode exacte des canaux couplés (CC) pour les niveaux d'énergie inférieurs à 25 cm⁻¹ et la méthode approchée des états couplés (CS) pour les niveaux plus élevés jusqu'à 100 cm⁻¹. Les calculs ont couvert 222 niveaux rotationnels pour chaque modification de spin nucléaire (ortho et para) avec des nombres quantiques rotationnels jusqu'à j=25. Les coefficients de vitesse ont été obtenus en intégrant les sections efficaces sur une distribution de Maxwell pour des températures de 10 à 50 K. Pour vérifier la précision, les sections efficaces CC et CS ont été comparées à différentes énergies.
Un ensemble complet de coefficients de vitesse a été obtenu pour les transitions entre les niveaux rotationnels du cyclopentadiène lors de collisions avec l'hélium. Une forte règle de sélection a été découverte : les transitions avec conservation de la projection kc (Δkc = 0) dominent, leurs coefficients étant 5 à 10 fois plus grands que ceux des transitions avec changement de kc. Les valeurs des coefficients ne dépassent pas (5–6)×10⁻¹¹ cm³/s, ce qui est typique pour les molécules complexes. Une dépendance négative en température est observée : lorsque la température augmente de 5 à 50 K, les coefficients diminuent jusqu'à 5 fois en raison de l'augmentation du nombre de canaux disponibles. La modélisation du transfert radiatif dans l'approximation LVG pour les conditions de TMC-1 (température de 9 à 10 K, densité de H2 d'environ 2×10⁴ cm⁻³) a montré que l'excitation de presque tous les niveaux d'énergie inférieure à 40 K est proche de l'équilibre thermique dès des densités d'environ 10³ cm⁻³. Cela confirme l'applicabilité de l'approximation ETL pour déterminer l'abondance du cyclopentadiène.
Ce travail utilise pour la première fois des coefficients de collision quantiques précis pour la modélisation hors-ETL d'une grande molécule cyclique détectée dans le milieu interstellaire. Contrairement aux travaux voisins, qui étudient soit d'autres objets (hélium superfluide, étoiles, neutrinos), soit ne fournissent que des données spectroscopiques, ici sont obtenues précisément les données dynamiques nécessaires au transfert radiatif. Cela permet de tirer des conclusions générales sur la thermalisation des molécules cycliques et jette les bases de futures recherches sur l'excitation collisionnelle d'astromolécules complexes.
Le sujet pourrait se développer vers le calcul des coefficients de collision pour les dérivés cyanés du cyclopentadiène, le benzène, le naphtalène et d'autres hydrocarbures aromatiques polycycliques détectés dans TMC-1. Il est également possible d'étendre la gamme de températures et de prendre en compte les collisions avec l'hydrogène moléculaire au lieu de l'hélium, ce qui nécessiterait des calculs quantiques plus complexes mais améliorerait la précision des modèles.
Les résultats influenceront l'interprétation des observations des nuages moléculaires, en particulier la détermination des abondances des molécules organiques complexes. Ils sont également utiles pour les modèles astrochimiques décrivant la formation et l'évolution de la matière organique dans le milieu interstellaire.
L'étape suivante pourrait être le calcul des coefficients de vitesse pour les collisions du cyclopentadiène avec l'hydrogène moléculaire, ainsi que pour ses dérivés cyanés. Il serait également utile d'effectuer des calculs analogues pour d'autres cycles à cinq chaînons détectés dans l'espace.
Ce travail est directement lié au problème de la détermination des abondances des molécules organiques complexes dans les nuages froids. Jusqu'à présent, pour la plupart de ces molécules, des données précises sur les collisions manquent, ce qui introduit une incertitude dans les modèles de transfert radiatif. Ce travail montre que pour le cyclopentadiène, les effets hors-ETL sont faibles, mais pour les molécules avec un plus grand moment dipolaire (par exemple, les dérivés cyanés), ils peuvent être significatifs, ce qui nécessite des recherches supplémentaires.
Le moment dipolaire du cyclopentadiène n'est que de 0.419 debye, soit environ 10 fois plus petit que celui de son dérivé cyané. De ce fait, le cyclopentadiène se thermalise à des densités d'environ 1000 cm⁻³, alors que pour le dérivé cyané, il faudrait une densité 100 fois plus grande.