УДК 523.64
НЕИДЕНТИФИЦИРОВАННЫЕ КОМЕТНЫЕ ЭМИССИИ КАК ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЗАМОРОЖЕННЫХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ЧАСТИЦ
© 2004 г. И. А. Симония*
Абастуманская астрофизическая обсерватория АН Грузии Поступила в редакцию 12.04.2004 г.
Обсуждается возможная природа неидентифицированных кометных эмиссий. Предлагается модель ледяных частиц кометных гало как смеси замороженных полициклических ароматических углеводородов и ациклических углеводородов. Описаны общие свойства замороженных углеводородных частиц (ЗУЧ). Предлагается рассматривать часть неидентифицированных кометных эмиссий как фотолюминесценцию ЗУЧ. Приведены результаты сравнительного анализа положения неидентифицированных эмиссий в спектре кометы 122Р/де Вико с положениями квазилиний в спектрах фотолюминесценции полициклических ароматических углеводородов, растворенных в ациклических углеводородах при температуре 77 К и представляющих собой поликристаллический раствор. Приведена оценка регистрируемое™ фотолюминесценции ЗУЧ в спектрах комет.
Ключевые слова: Солнечная система — планеты, кометы, малые тела, гелиосфера; неидентифициро-ванные кометные эмиссии; замороженные углеводородные частицы; полициклические, ациклические углеводороды; фотолюминесценция.
UNIDENTIFIED COMETARY EMISSIONS AS THE PHOTOLUMINESCENCE OF FROZEN HYDROCARBON PARTICLES, by I. A. Simonia. We discuss the possible nature of unidentified cometary emissions. We propose a model of ice particles in cometary halos as a mixture of frozen polycyclic aromatic hydrocarbons and acyclic hydrocarbons. We describe the general properties of frozen hydrocarbon particles (FHPs) and suggest considering some of the unidentified cometary emissions as the photoluminescence of FHPs. We compare the positions of unidentified emissions in the spectrum of Comet 122P/de Vico with those of quasi-lines in the photoluminescence spectrum of polycyclic aromatic hydrocarbons that were dissolved in acyclic hydrocarbons at a temperature of 77 К and that constituted a polycrystalline solution. We estimated the detectability of FHP photoluminescence in cometary spectra.
Key words: Solar system — planets, comets, small bodies, heliosphere; unidentified cometary emissions; frozen hydrocarbon particles; polycyclic and acyclic hydrocarbons; photoluminescence.
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, проблема неидентифицируемых кометных эмиссий в оптической и других частях спектра комет остается актуальной. Такого рода эмиссии не поддаются численной или сравнительной идентификации и, как правило, собираются в отдельные таблицы или своды данных (Браун и др., 1996; Кокрен, Кокрен, 2002). Успешная идентификация этих эмиссий связана с модернизацией методов получения и обработки спектральных данных, накоплением большого лабораторного сравнительного материала, изучением иных механизмов возбуждения соответствующих эмиссий. Конечно,
Электронный адрес:1гак11в1топ1а@уаЬоо.сот
неидентифицированные эмиссии в рамках обычного резонансно-флуоресцентного механизма могут возникать за счет переходов с высших уровней соответствующих атомов и молекул кометных газов. Однако необходимо учитывать возможность возбуждения фотолюминесценции твердого комет-ного вещества под воздействием солнечного УФ-излучения (Чурюмов, Клещенок, 1999; Симония, 1999). Вероятность такого процесса велика, особенно с учетом присутствия заметного количества органического компонента в кометных льдах. Одним из важнейших классов химических соединений, встречающихся в различных космических телах, как известно, являются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). Их присутствие
в кометном веществе также не вызывает сомнения (Еренфренд, Чарнли, 2000).
На наш взгляд, в состав льдов кометных ядер могут входить смеси ПАУ и ациклических углеводородов. Следовательно, ледяные частицы гало, окружающего ядро, могут полностью состоять из указанной смеси или содержать ее заметные количества. Солнечное УФ-излучение будет возбуждать фотолюминесценцию ледяных частиц гало. Низкое альбедо частиц, состоящих из указанных смесей, и высокий квантовый выход фотолюминесценции ПАУ обеспечат регистрируемость соответствующих люминесцентных эмиссий.
В условиях низких температур ПАУ и ациклические углеводороды, а также другие возможные компоненты будут находиться в замороженном состоянии. Мы предлагаем называть такого рода частицы замороженными углеводородными частицами (ЗУЧ). Рассмотрим подробнее ЗУЧ и их люминесценцию.
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ЗУЧ
В первую очередь, приведем здесь некоторые сведения по квантовым выходам люминесценции органических соединений. Уэт и Вийк (2004) указывают, что для многих органических соединений квантовый выход люминесценции составляет около 50%. Они выделяют также ПАУ из ряда других веществ по признаку их высокоэффективной люминесценции и отмечают, что в некоторых случаях под воздействием далекого УФ-излучения ПАУ и их ионы в результате одного акта возбуждения способны испускать несколько люминесцентных фотонов с общим квантовым выходом до 100%.
Д'Андекур и др. (1986) отмечают, что для молекул ПАУ квантовый выход может составить 50%.
Гудипати и др. (2003) считают, что для малых зерен, содержащих замороженные органические смеси, квантовый выход может колебаться в пределах 90—100%. Вышесказанное говорит в пользу того, что полициклические ароматические углеводороды обладают высокоэффективной яркой люминесценцией под воздействием УФ-излучения. Смеси замороженных ПАУ и ациклических углеводородов могут входить в состав льдов кометных ядер. Мы предполагаем, что данные смеси будут представлять собой твердый раствор по типу растворитель—вещество, где под веществом мы понимаем ПАУ, а под растворителем — ациклические углеводороды. Иными словами, растворившиеся в ациклических углеводородах ПАУ составляют с ними единый твердый раствор. Оптические свойства раствора определяются свойствами растворителя, условиями кристаллизации раствора, наличием люминесцирующего компонента — люминогена,
характером взаимодействия между компонентами раствора и содержанием в растворе дополнительных примесей.
Наличие в кометных льдах поликристаллических растворов является вполне вероятным. Па-ташник и др. (1974) и Смолуховский (1981) показали, в частности, что в кометах при температуре около 140 К аморфный лед переходит в кристаллическую форму с кубической решеткой. Поверхностные слои ледяного кометного ядра являются источником разнодисперсных замороженных углеводородных частиц, извергаемых и уносимых в околоядерную область по мере уменьшения гелиоцентрического расстояния кометы. Эти ледяные частицы разных размеров и осколочной симметрии формируют ледяное гало на соответствующих гелиоцентрических расстояниях. По мнению Фернандес (1983) на расстоянии г = 1 а.е. ледяное гало комет может иметь радиус до 500 км. Данная величина дискуссионна, в особенности с учетом рассматриваемой плотности твердых частиц, однако вполне приемлема для общей оценки порядка радиуса гало. Вместе с тем необходимо отметить, что космические миссии к кометам пока не подтвердили наличия у них ледяных гало. Поэтому существование гало льдистых частиц вокруг кометных ядер остается под вопросом и рассматривается в качестве гипотезы. По нашему мнению, размеры индивидуальных ЗУЧ могут колебаться от микронных до миллиметровых. ЗУЧ будут обладать характерным цветом, присущим замороженной смеси ПАУ и ациклических углеводородов. В случае малых концентраций дополнительных примесей ЗУЧ будут представлять собой серые ледяные частицы. Таким образом, кометные ядра могут быть окружены гало в виде слоя ЗУЧ. В реальных условиях помимо ЗУЧ в гало могут содержаться силикатная пыль и мелкодисперсные углистые частицы. Под воздействием солнечного УФ-излучения и потоков частиц солнечного ветра ЗУЧ будут интенсивно люминесцировать в диапазоне 3800—6700 Л. Другие составные части гало (например, неорганические пылинки) также будут люминесцировать, однако с меньшим квантовым выходом. Спектр люминесценции ЗУЧ будет определяться конкретным химическим составом смеси, концентрацией ПАУ в поликристаллическом растворе, наличием или отсутствием примесей, температурой частиц, фазой солнечной активности и другими факторами. Важнейшими из указанных факторов являются химический состав конкретной ЗУЧ и ее температура. У различных по химическому составу ЗУЧ, имеющих различные температуры, солнечное УФ-излучение будет вызывать люминесценцию различного спектрального состава. Прингсгейм (1951) отмечал, в частности, что при температуре жидкого кислорода 54.3 К размытые полосы спектра многих
кристаллических органических соединений разрешаются на группы узких полос или линий. Это весьма существенно для случая ЗУЧ и свидетельствует о том, что ледяные частицы гало комет могут обладать спектрами люминесценции как минимум двух типов: а) спектрами, состоящими из широких размытых полос; б) спектрами, представляющими собой серии узких полос или линий. Выявление точной корреляции между типами спектров реальных ЗУЧ и их температурой может быть осуществлено лишь экспериментальным путем в процессе сравнения наблюдательного материала с лабораторными данными.
Опишем теперь некоторые свойства вещества ЗУЧ, находящихся в температурном диапазоне 60—80 К. С этой целью приведем здесь данные по лабораторным аналогам вещества ЗУЧ. Теп-лицкая и др. (1978) получали поликристаллические растворы указанного химического состава с целью изучения люминесценции ПАУ при температуре 77 К. Они показали, что для получения дискретных спектров люминесценции и поглощения ПАУ удобными растворителями оказались нормальные парафины. Для соединений с линейной структурой (полиацены, полифенилы, дифенилполиены и т.д.) наиболее резкие спектры наблюдаются в тех случаях, когда линейные размеры молекул растворителя близки к линейным размерам молекул ПАУ.
Опыты показали, что при возбуждении растворов ароматических углеводородов светом лазера в (0—0) полосу при Т = 4.2 К можно получить высокоструктурные спектры углеводородов с шириной линий в пределах 0.15—0.47 Л. Это справедливо для большинства кристаллизующихся и стеклующихся при замораживани
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.