Презентация "Молекулы" по химии – проект, доклад

Астрофест — 2005

Молекулы в Космосе

Д. З. Вибе Институт астрономии РАН

АСТРОХИМИЯ

“Stars are among the most fundamental building blocks of the universe, and yet the processes by which they are formed are not understood.”

Derek Ward-Thompson Science, January 4, 2002

«Звезды представляют собой один из самых фундаментальных элементов Вселенной, и тем не менее процессы, в результате которых они образуются, нам непонятны».

Дерек Вард-Томпсон Science, 4 января 2002 г.

Почему звезды образуются так медленно? Сопоставление динамического времени и массы гигантских молекулярных облаков дает оценку скорости звездообразования в Галактике — 500 масс Солнца в год. Реальное значение не превышает 15 масс Солнца в год. Почему звезды образуются так быстро? Приблизительно половина плотных ядер содержит точечные инфракрасные источники (протозвезды). Практически нет молекулярных облаков, в которых звездообразование еще не началось. Практически нет молекулярных облаков, в которых звездообразование уже закончилось.

Вещество, из которого образуются звезды, практически невидимо!

Все, что происходит в молекулярных облаках, в частности, в протозвездных объектах, — происходит с молекулярным водородом.

В чем проблема?

Линии Н2 в ИК-области спектра

Но его линии в областях звездообразования слишком слабы.

Молекулярный водород — основная, но не единственная молекула

…но молекул в Космосе нет!

Низкая температура Низкая плотность Диссоциирующие излучения

Межзвездное пространство не пусто…

Гершель (светлые туманности состоят из светящейся жидкости) Струве (Каптейн, Барнард — неравномерность поглощения) Трюмплер (пыль) Хартманн (1904, межзвездное поглощение Ca+) Юэн, Парселл (1951, HI 21 см)

...хотя они есть в кометах.

До сороковых годов XX века

Молекулы в Космосе есть!

1930-е гг. — CH, CN, CH+ (линии поглощения) 1960-е гг. — OH, H2O, NH3 (радиолинии) Наше время — 137 молекул, не считая изотопомеров (с изотопомерами 205)

Электронные переходы (видимый свет) Колебательные переходы (ИК) Вращательные переходы (радио, субмм)

Первым на возможность наблюдения молекул в радиодиапазоне указал И.С. Шкловский

Список известных межзвездных и околозвездных молекул. http://www.cv.nrao.edu/~awootten/allmols.html Молекулы из двух атомов AlF AlCl C2 CH CH+ CN CO CO+ CP CS CSi HCl H2 KCl NH NO NS NaCl OH PN SO SO+ SiN SiO SiS HF SH Молекулы из трех атомов C3 C2H C2O C2S CH2 HCN HCO HCO+ HCS+ HOC+ H2O H2S HNC HNO MgCN MgNC N2H+ N2O NaCN OCS SO2 c-SiC2 CO2 NH2 H3+ SiCN Молекулы из четырех атомов c-C3H l-C3H C3N C3O C3S C2H2 CH2D+? HCCN HCNH+ HNCO HNCS HOCO+ H2CO H2CN H2CS H3O+ NH3 SiC3 Молекулы из пяти атомов C5 C4H C4Si l-C3H2 c-C3H2 CH2CN CH4 HC3N HC2NC HCOOH H2CHN H2C2O H2NCN HNC3 SiH4 H2COH+ Молекулы из шести атомов C5H C5O C2H4 CH3CN CH3NC CH3OH CH3SH HC3NH+ HC2CHO HCONH2 l-H2C4 C5N Молекулы из семи атомов C6H CH2CHCN CH3C2H HC5N HCOCH3 NH2CH3 c-C2H4O CH2CHOH C7–(?) Молекулы из восьми атомов CH3C3N HCOOCH3 CH3COOH C7H H2C6 CH2OHCHO Молекулы из девяти атомов CH3C4H CH3CH2CN (CH3)2O CH3CH2OH HC7N C8H Молекулы из десяти атомов CH3C5N? (CH3)2CO NH2CH2COOH? Молекулы из одиннадцати атомов HC9N Молекулы из тринадцати атомов HC11N

Изобилие радикалов и ненасыщенных водородом молекул

Структура молекул

C3H2 HC7N H2CO HCN C2H5OH ПАУ

Ученые нашли в космосе огромное облако спирта Звездочеты нашли в космосе рай для пьяниц — гигантскую массу чистого спирта. «Они наткнулись на таинственное облако, глазея в свои телескопы на далекое созвездие. Через несколько месяцев исследований они поняли, что таинственный объект содержит достаточно спирта, чтобы изготовить 400 триллионов триллионов пинт пива. Это составляет 300000 пинт ежедневно для каждого жителя Земли на следующий миллиард лет... Облако находится близ молодой звезды G34.3 в созвездии Орла... Тепло этой звезды производит больше спирта, чем все пивные и ликеро-водочные заводы Земли, вместе взятые.»

Хранить в прохладном, защищенном от света месте

Кометы Околозвездные оболочки Молекулярные облака

Карта Млечного Пути в линии молекулы СО

Области звездообразования

Гигантские молекулярные облака (плотность ~ 102 см–3, размер ~ 100 пс) Молекулярные облака (плотность ~ 103 см–3 , размер ~ 1 пс) Плотные ядра (плотность ~ 104 см–3 , размер ~ 0.1 пс)

Содержание некоторых молекул в TMC-1 (по отношению к H2)

Молекул очень мало!

Что творится на кухне?

Tafalla et al. (2002) 15 000 AU 0.1 pc

Беззвездное ядро L1544

Неравномерное содержание молекул

Разобраться в событиях, происходящих в молекулярных облаках, по наблюдениям молекул невозможно без моделирования химических процессов!

«Широко простирает химия руки свои в дела человеческие. Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются перед очами нашими успехи ее прилежания.»

М. В. Ломоносов

Как работает межзвездный химический реактор?

Межзвездная химия сильно отличается от земной!

Виды газофазных химических реакций

Нейтраль-нейтральные реакции Реакции с космическими лучами Ион-молекулярные реакции Реакции диссоциативной рекомбинации Фотореакции

Нейтраль-нейтральные реакции

Создание химических связей

Перераспределение химических связей

Ион-молекулярные реакции

Обмен зарядом

Высокие скорости при низких температурах

Реакции с космическими лучами

Реакции ионизации

H + CRP = H+ + e– He + CRP = He+ + e– C + CRP = C+ + e– N + CRP = N+ + e– O + CRP = O+ + e– Cl + CRP = Cl+ + e– H2 + CRP = H2+ + e– H2 + CRP = H+ + e– + H

r = a z ni zCR = 1.3·10–17 s–1 zRN = 6.0·10–19 s–1 zX = ~ 10–12 s–1

Реакции диссоциативной рекомбинации

Разрыв химических связей

Фотореакции

Химические базы данных

UMIST95 (University of Manchester) Около 400 компонентов и 3864 реакции, в том числе 10 реакций с космическими лучами 2803 ион-молекулярных реакции 69 фотореакций, индуцированных космическими лучами 394 нейтраль-нейтральных реакции 433 реакции диссоциативной рекомбинации 150 фотореакций New Standard Model (Ohio State University) Около 400 компонентов и 4203 реакции, в том числе 9 реакций с космическими лучами 2935 ион-молекулярных реакций 235 фотореакций, индуцированных космическими лучами 209 нейтраль-нейтральных реакций 504 реакции диссоциативной рекомбинации 272 фотореакции Herbst & Clemperer (1973) 37 компонентов и 100 реакций (5 наблюдаемых молекул) Bettens & Herbst (1995) Около 1000 компонентов и 10000 реакций

Химия усложняется

Молекулярный водород в газовой фазе почти не образуется!

Трехчастичные столкновения: H + H + H  H2 + H Очень-очень медленная реакция: H+ + H  H2+ + h H2+ + H  H2 + H+ Очень медленная реакция: H + e–  H– + h H+ + H–  H2 H2+ + H–  H2 + H

Образование молекулярного водорода на пыли

Атомы водорода прилипают к пылинке. Перемещаясь по поверхности пылинки, атомы сталкиваются друг с другом и образуют молекулу H2. Энергия, выделившаяся при образовании молекулы H2, отрывает ее от пылинки.

Поверхностные химические реакции

Образование молекулярного водорода Образование молекул, насыщенных водородом Образование гомогенных молекул (C2, O2) Образование простейших органических молекул

Поверхностные реакции с участием СО

Конечные продукты: Формальдегид Метанол Этанол Диметиловый эфир Муравьиная кислота

Десорбция

Тепловая десорбция (энергия связи) Десорбция космическими лучами (температура нагрева) Фотодесорбция (вероятность отрыва) Химическая десорбция

Молекулярное облако распадается на несколько гравитационно связанных ядер, в которых изначально силам притяжения противодействуют тепловое, магнитное и турбулентное давление. Эти ядра в течение некоторого времени пребывают в стационарном состоянии, а затем в результате амбиполярной диффузии, диссипации турбулентности или под воздействием внешнего импульса становятся гравитационно неустойчивыми и коллапсируют.

Общая картина звездообразования

Что и зачем моделировать?

Определение плотности, температуры, магнитного поля Исследование поля скоростей Определение возраста («химические часы») Обратная связь с динамикой Происхождение жизни

Определение плотности и температуры

Магнитные поля

Круговая поляризация (эффект Зеемана) Плоская поляризация (эффект Голдрайка -Килафиса)

Формирование линий в коллапсирующем облаке

Оптически толстые линии в коллапсирующем облаке имеют характерную двугорбую форму с неравной высотой пиков

Признаки коллапса в наблюдениях

Профили линий CS в B335 (Choi et al. 1995). Сплошные линии — наблюдения (Zhou et al. 1993), штриховые линии — модель с относительным содержанием CS 5.5·10–9 и максимальной скоростью коллапса на расстоянии 0.03 пс от центра облака.

Химические часы

Нагрев и охлаждение

Нагрев Фотодиссоциация молекулярного водорода Фотоионизация нейтрального углерода Фотоэлектрическая эмиссия с поверхности пылинок Образование молекулярного водорода на поверхности пылинок Нагрев в результате ионизации космическими лучами Охлаждение Охлаждение в молекулярных линиях

Происхождение жизни

Органические молекулы в молекулярных облаках Органические молекулы в кометах и метеоритах

Успехи

Корректно воспроизведены содержания основных молекул (CO) и большинства второстепенных молекул Объяснено наличие в молекулярных облаках радикалов, ионов и изомеров, а также ненасыщенных органических молекул (несмотря на изобилие водорода) Объяснено повышенное содержание молекул, содержащих дейтерий

Перспективы

Детальная информация о распределении молекул в областях звездообразования Внегалактическая астрохимия (в частности, на больших красных смещениях)