Химический состав областей звездообразования характеризуется широким разнообразием. В межзвездной среде обнаружены как простые двухатомные молекулы, так и сложные многоатомные органические и пребиотические соединения. При этом, количество открытых в межзвездной среде сложных молекул различных типов непрерывно растёт, что обуславливает растущий интерес к астрохимии как к одному из возможных механизмов, вносящих вклад в возникновение жизни во Вселенной. Это обуславливает актуальность исследований химического состава и механизмов его формирования. При этом, понимание физико-химических процессов, отвечающих за формирование столь развитого химического разнообразия в Галактике, а также путей его дальнейшей эволюции, далеко от полноты. Предлагаемый проект посвящен изучению механизмов формирования и эволюции наблюдаемого химического ранних стадий развития звезд малой массы – дозвездных ядер. Будет сделан акцент на исследовании роли химических процессов в твердой фазе межзвездной среды, иначе говоря, на поверхности пылевых частиц, покрытых ледяными мантиями. В рамках проекта будут созданы новые численные модели, изучены ранее не рассматривавшиеся процессы, в частности, недиффузионные химические реакции в твердой фазе и их роль в образовании сложных органических молекул в межзвездных льдах. Также будет изучено влияние различных режимов нагрева пылевых частиц разных размеров на химическую эволюцию покрывающих их ледяных мантий. Теоретические изыскания будут дополнены уникальными экспериментами по изучению аналогов межзвездных льдов на собственной экспериментальной базе лаборатории астрохимических исследований Уральского федерального университета. Теоретические и экспериментальные результаты будут проверены с помощью наблюдений органических молекул и их прекурсоров на самых современных наблюдательных инструментах. Таким образом, впервые в рамках одного проекта будет сделана попытка замкнуть триаду «наблюдения-теория-эксперимент» применительно к астрохимическим исследованиям.
Ожидаемые результаты:
1. Впервые в мире будет исследованы неточности моделирования содержаний сложных органических молекул в дозвездных ядрах в газопылевых астрохимических моделях. Полученные оценки будут важны для понимания достижимой степени согласия между теоретическими моделями и результатами наблюдений, а также для идентификации наиболее проблемных физико-химических процессов, включенных в модели, чье описание требует уточнения в первую очередь.
2. Впервые на уровне микроскопического подхода будет исследован вопрос об эффективности квантового туннелирования как механизма мобильности атомов водорода по поверхностям пылевых частиц. Также впервые будут получены теоретически оценки распределения потенциальных ям на поверхности межзвездных пылевых частиц по глубинам. Для этого будет развита «бессеточная» Монте-Карло модель, описывающая протекание химических процессов с учетом реальной пространственной геометрии локальных особенностей поверхностей пылевых частиц. При помощи модели будут исследованы механизмы мобильности атомов и молекул на поверхности пылевых частиц, в т.ч. атомов водорода и дейтерия. Оба вывода будут иметь большое значение для развития моделей химии межзвездной среды.
3. Будет выполнено исследование вклада недиффузионных химических процессов в холодных (Т~10K) межзвездных льдах в образование сложных органических молекул в дозвездных ядрах. Впервые будут получены модельные составы межзвездных льдов для некоторых дозвездных ядер - целей наблюдательных программ космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST).
4. На собственной экспериментальной базе Научной лаборатории астрохимических исследований УрФУ будут получены аналоги межзвездных льдов с химическим составом, рассчитанным теоретически (см. п.3). Будут сняты ИК-спектры выращенных льдов, пригодные для непосредственного сравнения со спектрами, получаемыми на ИК-телескопах. Непосредственное сравнение лабораторных спектров со спектрами межзвездных льдов позволит сделать выводы о достоверности химического состава и структуры межзвездных льдов, предсказываемых моделью MONACO. В частности, будет сделана попытка обнаружить спектральные признаки углеродсодержащих сложных органических молекул в межзвездных льдах. Триада "теория-эксперимент-наблюдение" для межзвездных льдов впервые в мире будет замкнута в рамках предлагаемого проекта.
5. Будет построена численная модель химической эволюции межзвездной среды, включающая множественные населения пылевых частиц, различающиеся размером, температурой, химическим составом. Таким образом, будет создана одна из первых химических моделей, учитывающая факт распределения по размерам реальных межзвездных пылевых частиц, приводящий, в частности, к неодинаковым тепловым режимам в случае крупной и мелкой пыли. Будет изучено влияние различных режимов нагрева пылевых частиц различных размеров на наличие и состав ледяных мантих на них в дозвездных ядрах.
6. Будут выполнены наблюдений сложных органических молекул в газовой фазе холодных дозвездных ядер. Сравнение результатов наблюдений с теоретическими результатами, полученными при реализации проекта, позволит исследовать основные механизмы образования органических молекул на ранних стадиях звездообразования и, в частности, впервые сделать выводы о сравнительном вкладе газофазных и поверхностных химических реакций в синтез сложных молекул.
