Семинар Лаборатории №19 на тему: «Углеродные соединения в межзвездной среде: эволюция, наблюдения, модели»

Аннотация

В докладе будет сделан обзор астрофизического направления по изучению углеродных соединений в космосе. Будут рассмотрены следующие вопросы: 1) основные наблюдения, указывающие на содержание различных углеродных соединений в разных частях межзвездной среды, по которым можно делать оценки характеристик этих соединений; 2) астрофизические модели эволюционных процессов углеродных соединений: формирование и рост, взаимодействие с ультрафиолетовым излучением, ударными волнами, космическими лучами; 3) связь между астрофизическими и лабораторными исследованиями.


Углерод - один из наиболее распространенных элементов в межзвездной среде после водорода и гелия, Он может находиться как в атомарном виде, так и в составе различных молекул, в том числе,  полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), фуллеренов, алмазов, а также более крупных частиц - пылинок - с размерами от нескольких нанометров до нескольких микрон. По наблюдениям (инфракрасные эмиссионные спектры, поглощение в ультрафиолетовом и оптическом диапазонах) можно судить о значительном содержании ПАУ и других углеродных частиц, однако идентифицировать конкретные ПАУ не представляется возможным из-за наложения их линий эмиссии и поглощения друг на друга. Также пока не удалось установить, в каком виде находятся пылинки (аморфный углерод или графиты). С достоверностью идентифицирована только одна крупная углеродная молекула - фуллерен, колебательные переходы которого располагаются отдельно от переходов других углеродных молекул. Образование фуллеренов, их количественное соотношение с ПАУ, состояния, которые фуллерены могут принимать в межзвездной среде (фуллерены, эндонэндральные  фуллерены и другие) и их эмиссионные свойства - вопросы, которые составляют астрофизический интерес данного направления. Не менее интересны и другие аллотропные состояние углерода и их эмиссионные/абсорбционные свойства, по которым их можно идентифицировать. В решении данных вопросов помогают лабораторные исследования, проводимые на Земле, и теоретические расчеты.


Считается, что углеродные макромолекулы и пылинки образуются на последних стадиях эволюции звезд так называемой асимптотической ветви гигантов, где условия (температура, плотность) сопоставимы с лабораторными условиями, при которых образуется сажа и другие углеродные соединения. Знание соотношений между ПАУ, фуллеренами и другими продуктами синтеза, их размеры и остальные характеристики, получаемых в результате синтеза, могло бы значительно продвинуть вперед наши представления о композиционном составе углеродных соединений в космосе. Связь между набором продуктов синтеза и определяющими факторами (давление, температура, химический состав и др.) поможет установить причину неоднородного распределения фуллеренов, ПАУ и пыли в звездных остатках и в целом в межзвездной среде. На данный момент созданы астрофизические модели, с помощью которых можно рассчитать выход ПАУ и фуллеренов в оболочках звезд, однако до сих пор ни одна из моделей не объясняет, во-первых, столь высокого количества ПАУ в межзвездной среде, во-вторых, не описывает однозначно появление фуллеренов, и, в-третьих, не дает четкого понимания того, какую структуру имеют углеродные пылинки. Поэтому развитие междисциплинарного направления, объединяющего лабораторные исследования углеродных соединений и астрономические модели и наблюдения, помогло бы сформировать более точную картину эволюции углеродных соединений в космосе.


Несмотря на неоспоримо важную роль экспериментов для развития любых исследований, теоретические расчеты дают неоценимый вклад в развитие представлений об углеродных соединениях. В некоторых направлениях, теоретические расчеты намного опережают эксперименты из-за сложности проведения последнего. К примеру, колебательные переходы для ПАУ получены экспериментально только для 1-2 сотни молекул, тогда как с помощью DFT расчетов уже имеются переходы для нескольких тысяч молекул. Аналогичная тенденция и в исследовании стабильности ПАУ и других углеродных соединений. Процесс разрушения, дегидрогенизация и изомеризация ПАУ/аморфного углерода изучается в лаборатории, но такие эксперименты (в газе) довольно редки и зачастую проводятся только с самыми малыми ПАУ, тогда как считается, что в межзвездной среде преобладают только крупные ПАУ. Поэтому для моделирования процессов разрушения и оценки времени жизни различных соединений используются теории, позволяющие оценить скорости мономолекулярных реакций, к примеру теория RRKM, в основе которой лежит теория переходного состояния. В последнее время, немаловажный вклад в развитие моделей стала давать молекулярная динамика. Однако, любые теории содержат параметры, значения которых не всегда известны наверняка, поэтому необходимы уточнение теорий и их калибровка по экспериментам.

Возврат к списку