Large aromatic molecules in the interstellar medium

Groupe de Physique des Solides de I'EN.S., Université Paris V, Tour 23, 2 place Jussieu, 75251 Paris cedex 05, France

Abstract

We propose a consistent explanation of the so-called "unidentified" IR emission bands of the Interstellar Medium observed at 3.3 - 6.2 - 7.7 - 8.6- 11.3 μm. Following Sellgren (1984), we consider the transient heating of Very Small Grains (∼ 50 atoms) to a peak temperature of ∼ 1000 K by the absorption of a single UV photon and estimate the subsequent IR emission.The necessary stability of these clusters againts sublimation suggests that they are graphitic and specially polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) molecules. We estimate the emission spectrum of a typical PAH, coronene: C24H12, and find a suggestive spectroscopic agreement of the main spectral features with the astronomical ones. This explanation of the observed emission bands can account for their excitation mechanism which was not hitherto explained.New IR absorption spectra of a large PAH molecules are presented with the cross section of the different vibrational modes. The corresponding emissions are calculated and it is shown that the agreement found for coronene is not casual : a family of PAH molecules can explain the astronomical observations. We can even specify that compact PAHs give a better agreement than non-compact ones.Different implications of this identification are reviewed such as the abundance of these molecules. It is found that they could contain several percent of the cosmic carbon, which raises them to the level of the most abundant organic molecules in the Interstellar Medium. We also mention several open problems.

Résumé

On propose une explication cohérente des bandes IR en émission dites "non identifiées" du milieu interstellaire à 3,3 - 6,2 - 7,7 - 8,6 - 11,3 μm. Suivant Sellgren (1984), on considère le chauffage transitoire de très petits grains (∼ 50 atomes) comme responsable de l'élévation de leur temperature jusqu'à un pic de l'ordre de 1000 K par absorption discrète d'un photon et on en déduit une estimation de l'émission IR. La résistance de ces amas à la sublimation suggère que ce sont des molécules graphitiques, précisément des Hydrocarbures Aromatiques Polycycliques (HAPs). On donne une estimation du spectre d'émission d'un exemple typique de ces HAPs, le coronène C24H12 et on met en évidence un accord remarquable entre les principaux caractères spectraux et ceux observés an astronomie. Cette explication des bandes d'émission observées peut rendre compte de leur mécanisme d'excitation jusqu'ici inexpliqué.De nouveaux spectres d'absorption de grosses molécules HAP sont présentés ainsi que les sections efficaces des différents modes vibrationnels. Les émissions correspondantes sont calculées. Le résultat montre que l'accord trouvé pour le coronène n'est pas dû au hasard : les observations astronomiques peuvent être expliquées à l'aide d'une famille de HAPs. On peut même préciser que l'accord est meilleur avec les HAPs compacts qu'avec les HAPs non compacts.On passe en revue différentes conséquences de cette identification, entre autre en ce qui concerne l'abondancé de ces molécules. On trouve qu'elles pourraient contenir plusieurs pourcents du carbone cosmique, ce qui les porterait au niveau des plus abondantes molécules organiques du milieu interstellaire. Plusieurs problèmes non encore résolus sont encore évoqués.