АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2012, том 46, № 6, с. 423-441
УДК 523.4
ОБРАЗОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
В АСТРОХИМИИ (ОБЗОР)
© 2012 г. В. И. Шематович
Институт астрономии РАН, Москва Поступила в редакцию 31.01.2012 г.
В последние годы отмечается бурное развитие новой области исследования космического пространства — астрохимии, изучающей химическую эволюцию и химическое разнообразие межзвездного вещества. Молекулы дают уникальную информацию о физических условиях в межзвездной среде и, в частности, в областях звездообразования через наблюдения спектров вещества в газовой и пылевой фракциях во вращательных и колебательных переходах межзвездных молекул. Более того, понимание химии молекул может сказать многое о времени жизни и истории наблюдаемых объектов. Однако такое понимание требует детального химического знания газофазных реакций и химических процессов на поверхностях межзвездных пылевых частиц, протекающих часто в весьма специфических условиях, резко отличающихся от условий для химических реакций в лабораториях. Отметим, что интересы химиков и астрономов в этой новой области различаются — если первые преимущественно интересуются ростом химического разнообразия во Вселенной, то интерес астрономов связан с использованием молекул как проб физических процессов.
ВВЕДЕНИЕ
Последнее десятилетие ознаменовалось кардинальным изменением наших представлений об эволюции протопланетных систем и о процессах формирования планет. Это изменение связано, главным образом, с двумя наблюдательными прорывами в области планетной космогонии — с открытием внесолнечных планетных систем и с началом массовых наблюдений протопланетных дисков у молодых звезд. Молекулы наблюдаются в различных астрономических объектах, начиная с комет в нашей Солнечной системе и вплоть до галактик с высоким красным смещением. Межзвездная среда является уникальной лабораторией, в которой химические процессы часто протекают в условиях, существенно отличающихся от земных. Наблюдения спектров межзвездного вещества в газовой и пылевой фракциях во вращательных и колебательных переходах молекул дают уникальную информацию о физических условиях в межзвездной среде и, в частности, в областях образования звезд и планетных систем. Также молекулы играют важную роль в энергетическом балансе межзвездной среды. Понимание астрохи-мических путей образования молекул требует детального знания газофазных реакций и химических процессов на поверхностях межзвездных пылевых частиц, протекающих часто в условиях экстремально низких плотностей и температур (Шематович, 2006).
Исследования космического пространства выявили, что химический состав межзвездного вещества достаточно разнообразен и обширен.
Астрономические наблюдения межзвездного и околозвездного пространства привели к идентификации ~150 различных молекул и ионов, большинство из которых содержат углерод и имеют органическую природу. Соответственно, требуется теоретическое объяснение способов образования сложных химических соединений в условиях космоса. Межзвездные пылевые частицы распределены по размерам от молекулярных размеров вплоть до сотен нанометров. С межзвездными пылевыми частицами связан целый ряд уникальных физико-химических процессов в межзвездной среде, многие из которых влияют или даже определяют астрофизические явления на макроскопических масштабах, включая, в особенности, процессы образования звезд и планет. В частности, межзвездные пылевые частицы важны как каталитические поверхности для образования наиболее обильной межзвездной молекулы — водорода. Присутствие молекулярного водорода в газовой фазе приводит к последующему образованию иона H+ в межзвездных облаках, который в свою очередь приводит посредством комплексной астрохимической сети ион-молекулярных реакций к образованию более сотни молекул, обнаруженных в межзвездной и околозвездной среде (Herbst, 1998).
Многие из астрофизических объектов окружены газовыми оболочками. Когда движение газа в оболочке ограничено гравитационным полем астрофизического объекта, то такая газовая оболочка называется атмосферой. Если же движение газа не ограничено гравитацией небесного тела,
то такая оболочка называется комой. Химическая эволюция газовых оболочек астрофизических объектов различной массы и размера (пылевых частиц, планетезималей, протопланет, дозвезд-ных и протозвездных ядер и др.) определяется совокупным действием большого количества взаимосвязанных процессов, включая катализ на поверхности объектов, химический обмен веществом между пылевой и газовой фракциями и химические изменения газового состава оболочки. Данные химические процессы инициируются полем жесткого УФ-излучения либо межзвездной среды, либо протозвезды, или звезды с планетной системой и характеризуются сильно различающимися временными масштабами и степенью неравновесности. Соответственно, для исследования астрохимии газопылевых оболочек необходимо применять численные методы, основанные на решении уравнений химической кинетики на микро- и макроскопических масштабах с учетом переноса УФ-излучения. Как показывает практика астрохимических исследований межзвездной среды (Lis и др., 2006; Reipurth и др., 2007), для решения таких задач требуется привлечение как макроскопических методов химической кинетики, так и методов описания химических реакций на молекулярном уровне. В последнем случае одним из эффективных подходов является метод стохастического моделирования неравновесных физико-химических процессов в разреженных газовых средах (Marov и др., 1996; 1997). Соответственно, для исследований химической эволюции газовых оболочек астрофизических объектов различной массы используется кинетический метод Монте-Карло (Шематович, 2003; 2004; Цветков, Шематович, 2009; 2010). В рамках данного подхода разработаны ускоренные алгоритмы метода Монте-Карло для стохастических моделей астрохимии на поверхности пылевой фракции и химического обмена между газовой и пылевой фракциями. Далее, построена гибридная численная модель (Шематович, 2004; Цветков, Шематович, 2010) с учетом временной разномасштабности химической эволюции, позволяющая описывать быстрые химические реакции при помощи уравнений макроскопической химической кинетики, а определяющие химическую эволюцию объекта медленные химические реакции — при помощи микроскопических уравнений стохастической кинетики.
Одним из важнейших приложений разработанной методики является исследование процессов образования многоатомных молекул на поверхности пылевой фракции в дозвездных и про-тозвездных ядрах плотных и холодных молекулярных облаков (Caselli и др., 2002; Stantcheva и др., 2002; Цветков, Шематович, 2009; 2010). Известно, что в силу разреженности (~103— 105 см-3) и низких температур (~10—30 К) в плот-
ных молекулярных облаках синтез как простых, так и многоатомных молекул осуществляется на поверхности пылевой фракции (Herbst, 1998; Шематович и др., 1999). Причем данные химические процессы, опять же в силу разреженности окружающей газовой среды и дискретной структуры поверхности пылевых частиц, носят стохастический характер (Herbst, Shematovich, 2003). Хорошо известно, что образование молекулярного водорода в газовой фазе в условиях межзвездной среды затруднено и, собственно, молекулярный водород должен образоваться на межзвездных пылевых частицах, когда атомы водорода из газовой фазы адсорбируются на поверхности холодных пылевых частиц и связываются с поверхностью посредством слабых сил в процессе, известном как физисорбция. На основе кинетического метода Монте-Карло исследована эффективность образования молекул водорода на пылевых частицах из оливина и аморфного углерода (Цветков, Шематович, 2009; 2010). Используя стохастический метод решения основного управляющего уравнения для астрохимической кинетики на ледяных поверхностях межзвездных пылевых частиц, можно исследовать химические пути образования молекул воды, формальдегида и метанола в дозвездных ядрах молекулярных облаков (Caselli и др., 2002; Stantcheva и др., 2002). Как известно, эти молекулы являются важнейшими звеньями на пути образования комплексных молекул с пребиотическим потенциалом в межзвездной среде (Herbst, van Dishoeck, 2009).
В данной работе представлен обзор достижений и проблем астрохимической кинетики в межзвездной среде с учетом реакций на поверхности межзвездных пылевых частиц и в газовой среде. Обсуждаются основные подходы в исследованиях кинетики как простых, так и комплексных сетей химических реакций, характеризующих химию образования сложных молекул в диффузных и плотных молекулярных облаках.
АСТРОХИМИЯ
Один из фундаментальных вопросов современной астрофизики касается жизненного цикла молекулярного вещества во Вселенной. Изучение происхождения тяжелых элементов в звездах, их переработки в молекулярное вещество в межзвездных облаках, включение в небесные тела, формирующие планеты, и, в конечном итоге, в возникновение самой жизни, является одним из важнейших направлений исследований астрономов, планетологов и биологов. Наше стремление понять происхождение жизни на Земле и оценить возможности жизни в других планетных системах в существенной степени связано с вопросом об источнике пребиотических и протобиотических молекул. В настоящее время ясно, что внеземное
Диффузные облака
Плотные облака
Рис. 1. Жизненный цикл межзвездного вещества (Ziurys, 2008; Herbst, van Dishoeck, 2009).
органическое вещество поставляется на Землю и сегодня в виде метеоритов и частиц межпланетной пыли. Инвентаризация молекулярного вещества во Вселенной позволяет проследить пути химических элементов во всей Галактике, от звезд до планетных тел в нашей Солнечной системе (см., например, рис. 1). Около сорока с лишним лет назад полагалось, что присутствие в межзвездном газе молекул более сложных, чем двухатомные, маловероятно. Действительно, межзвездная среда, заполненная холодным и разреженным газом, считалась слишком неблагоприятной для поддержки активной химии. С учетом низкой плотности частиц в таких регионах (~100—102 см-3), а также неизбежных диссоциации и ионизации молекул под воздействием УФ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.