Cette thèse porte sur les spectres de rotation du cyanure de normal-propyle (n-PrCN) dans des états vibrationnels excités et les applications à la radioastronomie. Le n-PrCN est l'une des molécules organiques les plus complexes détectées dans le milieu interstellaire. Les spectres des quatre états vibrationnels les plus bas de n-PrCN (pour chaque conformère anti et gauche, a-n-PrCN et g-n-PrCN ) ont été identifiés dans un relevé spectral entre 84,1 et 114,4 GHz en direction de Sagittarius B2 (N) avec l'interféromètre Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) au cours de la première année de ma thèse. Cette découverte faisait suite à des mesures et à des analyses de laboratoire entre 36 et 127 GHz. Par la suite, nous avons travaillé dans des gammes de fréquences plus élevées, entre 171 – 251 et 310 – 566 GHz. La recherche sur des molécules organiques complexes contribue à la compréhension des conditions physiques et des processus chimiques dans les régions de formation d'étoiles. De plus, le PrCN, le cyanure d'alkyle le plus complexe qui ait été détecté jusqu'à présent, est vraisemblablement lié à l'origine de la vie. ALMA avec une sensibilité et une résolution spatiale sans précédent est une motivation pour notre recherche. L'inclusion d'états de vibration dans la modélisation interstellaire permet d'exclure les raies de molécules connues lors de la recherche de nouvelles espèces. Les informations sur les états vibrationnels doivent être prises en compte dans la fonction de partition. Le chapitre 2 explique la signification astrophysique de ce travail. Le chapitre 3 résume la théorie pertinente de la spectroscopie moléculaire, y compris les paramètres moléculaires utilisés pour s’ajuster aux lignes de rotation, à la structure quadruple hyperfine et au couplage des vibrations. Le chapitre 4 donne un aperçu rapide de la configuration expérimentale utilisée dans le groupe d'Astrophysique de Laboratoire de l'université de Cologne où les mesures ont été prises. Le chapitre 5 donne des informations sur les programmes utilisés pour l’ajustement (SPFIT) et les prévisions (SPCAT). L'amélioration des paramètres de l'état fondamental de n-PrCN est utilisée pour expliquer la procédure d'analyse. 3145 nouvelles raies (1284 pour l'anti et 1861 pour la gauche) ont été ajoutées aux mesures précédentes limitées à 300 GHz. Le chapitre 6 détaille les travaux sur les états vibrationnels. L'analyse étendue comprend v30 = 1 (935 nouvelles raies), v30 = 2 (646 raies), v18 = 1 (543 raies), v29 = 1 (393 raies) du conformère anti et v30 = 1 (1524 raies), v30 = 2 (1150 raies, v28 = 1 (419 raies), v29 = 1 (1177 raies) du conformère gauche. Pour le couplage de Coriolis et de Fermi entre v30 = 2 (K_a^''≥13) et v18 = 1 (K_a^''≥14), deux paramètres de couplage supplémentaires F_K et G_CJ (en plus de ∆E, F et G_c) ont été déterminés. Au cours de l'analyse, nous avons identifié de nouvelles transitions dédoublées par rotation interne. Nous avons publié les premières mesures et paramètres moléculaires pour l'état de combinaison v18 = v30 = 1 pour a-n-PrCN et v29 = v30 = 1 pour g-n-PrCN, tous deux trouvés en utilisant nos paramètres pour les états vibrationnels individuels. Enfin, 492 nouvelles raies de v18 = v30 = 1, a-n-PrCN et 1029 de v29 = v30 = 1, g-n-PrCN ont été identifiées. Des transitions de ces états de vibration pourraient être observées dans de nouvelles observations à partir du cycle 6 d'ALMA. La fiabilité des prévisions pour chaque conformère et état de vibration a été examinée dans la section appropriée. Une liste supplémentaire de 740 raies montrant un couplage potentiel, mais non encore identifié, a été fournie pour l'identification astrophysique. Les nouvelles données et analyses fournissent des prévisions améliorées ou nouvelles pour des raies couvrant toute la région de fonctionnement des radiotélescopes. Elles devraient également être utiles pour la recherche des états excités de vibration de n-PrCN dans Orion KL avec ALMA. |
This thesis focuses on the rotational spectra of vibrationally excited normal-propyl cyanide (n-PrCN) and relevance to radio astronomy. n-PrCN is one of the most complex organic molecules detected in the interstellar media. The spectra of the four lowest lying vibrational states of n-PrCN (both anti and gauche conformers, a-n-PrCN and g-n-PrCN hereafter) cyanide were identified in a spectral line survey toward Sagittarius B2(N) between 84.1 and 114.4 GHz with the Atacama Large Millimeter/Submillimeter (ALMA) Array in its Cycles 0 and 1 during the first year of my thesis. This followed laboratory measurements and analysis between 36 and 127 GHz. Further investigations were then mainly in the higher frequency ranges of 171 – 251 and 310 – 506 GHz. The research on increasingly complex organic molecules contributes to understanding the physical conditions and chemical processes in star forming regions where many complex molecules are formed. Additionally PrCN, the most complex N-bearing alkyl cyanide as yet detected, is plausibly related to the origin of life. ALMA with unprecedented sensitivity and spatial resolution is a motivation for our research. Including vibrational states in interstellar modeling allows the fitted lines to be excluded when searching for new species and can also be used as a tool for better chemical and physical modeling. Information on the vibrational states should be taken into account in the partition function. Chapter 2 explains the astrophysical significance of this work. Chapter 3 summarizes the relevant theory of molecular spectroscopy including molecular parameters used to fit rotational lines, quadruple hyperfine splitting and vibrational coupling. Chapter 4 gives a rapid overview of the experimental setup used in the Laboratory Astrophysics group at Cologne University where measurements were taken. Chapter 5 gives information on the programs used for fitting (SPFIT) and making predictions (SPCAT). Improvement of the ground state parameters of n-PrCN is used to explain the analysis procedure. 3145 new lines (1284 for the anti and 1861 for the gauche) were added to previous measurements that were limited to 300 GHz. Chapter 6 details work on the vibrational states. The extended fitting includes v30 = 1 (935 new lines), v30 = 2 (646 lines), v18 = 1 (543 lines), v29 = 1 (393 lines) of the anti conformer and v30 = 1 (1524 lines), v30 = 2 (1150 lines), v28 = 1 (419 lines), v29 = 1 (1177 lines) of the gauche conformer. For Coriolis and Fermi coupling between v30 = 2 (K_a^''≥13) and v18 = 1 (K_a^''≥14), two more coupling parameters F_K and G_CJ (in addition to ∆E, F and G_c) were derived. During the analysis, we not only continued assigning internal rotation split transitions in v28 = 1 of g-n-PrCN between 171 – 251 GHz but also identified additional internal rotation splitting of the Q-branch b-type transitions occurring in v29 = 1 of the gauche conformer at frequencies below 125 GHz and also in the R-branch a-type transitions in v29 = 1 of the anti conformer with K_a^''=1 and 2, at 171 – 251 GHz. We have provided the first published measurements and derived parameters for the combination state v18 = v30 = 1 for a-n-PrCN and v29 = v30 = 1 for g-n-PrCN, both found by using our parameters for the individual vibrational states. Finally, 492 new lines of v18 = v30 = 1, a-n-PrCN and 1029 of v29 = v30 = 1, g-n-PrCN could be identified. Transitions of these and other higher lying vibrational states may be observable in ALMA Cycle 6 and onwards. The reliability of predictions for each conformer and state has been discussed in the appropriate section. An additional list of 740 lines showing potential but as yet unidentified coupling has been provided for astrophysical identification. The new data and analysis gives improved or first-time predictions for lines over the whole operating region of radio telescopes. It should also be useful to search for vibrationally excited states of n-PrCN in Orion KL with ALMA. |