Астрохимия

АСТРОХИМИЯ, направление астрономических исследований, изучающее химический состав межзвёздной среды и протопланетных дисков, а также происходящие в них химические процессы. В астрохимии выделяют несколько разделов.

1) Астрохимия диффузных (межзвёздных) облаков с концентрацией частиц порядка 100 см^-3 и температурой несколько сотен кельвин. Космические лучи и жёсткое излучение звёзд легко проникают в такие облака, поэтому процессы разрушения молекул идут быстро и образование многоатомных молекул здесь крайне затруднено. 2) Астрохимия плотных молекулярных облаков с концентрацией частиц не менее 10⁴ см^-3 и температурой не выше нескольких десятков кельвин. В недрах таких облаков ультрафиолетовое излучение не оказывает влияния, поэтому здесь (главным образом на поверхности пылинок) могут образовываться наиболее сложные многоатомные молекулы, включая органические. 3) Астрохимия протопланетных дисков. Изучение процессов образования звёзд и планетных систем из плотных облаков тесно связано с изучением Солнечной системы и происхождения жизни. Существует, например, точка зрения, что органические компоненты были занесены на раннюю Землю кометами или другими твёрдыми телами, входившими в состав протопланетных дисков. 4) Астрохимия ударных волн. В областях взаимодействия молекулярных потоков из молодых звёздных объектов с окружающим веществом наиболее существенны процессы потери молекул с поверхности пылинок, а также реакции, идущие при высоких температурах. 5) Астрохимия околозвёздных оболочек. Образование молекул, а затем и пыли в оболочках звёзд играет огромную роль. У холодных звёзд-гигантов этот процесс во многом определяет параметры звёздного ветра, у новых и сверхновых звёзд - темп выброса тяжёлых элементов в межзвёздную среду.

В космосе наблюдается большое разнообразие молекул. На начало 21 века их известно не менее 130 - от простейших двухатомных до 13-атомной (HC₁₁N). Количество химических реакций, возможных в космосе, измеряется многими тысячами. Наиболее важной является реакция превращения атомарного водорода в молекулу Н₂, и не только потому, что Н₂ - самая распространённая молекула в космосе (содержание других молекул на многие порядки ниже), но и вследствие того, что Н₂ играет ключевую роль в образовании почти всех остальных молекул.

Химические реакции, протекающие в космических условиях, можно разделить на две группы: газофазные реакции и реакции на поверхности пылевых частиц (поверхностные реакции). Газофазная схема синтеза межзвёздных молекул включает четыре основных класса реакций. 1) Реакции между нейтральными частицами ответственны за образование СО, N₂ О₂ и CN; они протекают медленно, если в реакцию не вступают химически активные радикалы (О, ОН, С и др.). 2) Ион-молекулярные реакции определяют в основной химический состав межзвёздной среды; скорости этих реакций в экзотермических случаях велики. 3) Реакции диссоциативной рекомбинации определяют скорости образования стабильных нейтральных соединений в межзвёздной среде. 4) Реакции ассоциации под воздействием излучения играют важную роль в синтезе многоатомных молекул. Поверхностные химические реакции ответственны за образование молекулярного водорода и насыщенных углеводородов, а также за образование молекул, состоящих из одинаковых атомов (С₂, О₂), и простейших органических молекул.

Заметное влияние на химические процессы в космосе оказывают жёсткое межзвёздное излучение и космические лучи, ионизующие вещество, а также процессы десорбции и адсорбции молекул на пыли. Образование молекулярных «мантий» на поверхности пылинок может на порядки уменьшить содержание молекул данного вида в газе, а испарение пылинок - вновь увеличить его.

Изучение молекул в космосе помогает лучше понять этапы развития ранней Вселенной, образование галактик и звёзд, взаимодействие молодых звёзд с окружающим веществом и эволюцию звёзд на поздних стадиях, для которых характерны интенсивный звёздный ветер, выбросы и взрывы. Астрохимия составляет важную часть описания цикла превращения межзвёздного вещества в звёзды и планеты и возврата вещества в межзвёздную среду. Во многих случаях (например, при изучении самых ранних стадий звездообразования) наблюдения спектральных линий межзвёздных молекул являются единственным способом получить детальную информацию о структуре объекта, о кинематике газа и его предыстории.

Теоретическая астрохимия ещё находится в стадии становления, но уже достигнуто согласие основных теоретических выводов с наблюдениями для различных классов объектов. Объяснено наличие в космосе изомеров, высокое содержание ненасыщенных молекул и химически активных радикалов, а также молекул, в которых водород замещён дейтерием.

Лит.: «Astrochemistry: from molecular clouds to planetary systems»: Symposium 197 (23-27.08. 1999). Sogwipo, 2000; Fraser Н. J., McCoustra М.R.S., Williams D.А. The molecular universe // Astronomy and Geophisics. 2002. Vol. 43. №2.