Теоретические и экспериментальные исследования химической эволюции областей звездообразования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-12-00315

НазваниеТеоретические и экспериментальные исследования химической эволюции областей звездообразования

Руководитель Васюнин Антон Иванович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды

Ключевые слова органические молекулы, пребиотические молекулы, астрохимия, межзвездная среда, молекулярные облака, молодые звездные объекты, дозвездные ядра, лабораторная астрофизика

Код ГРНТИ41.25.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мурга М.С., Сивкова Е.Э., Васюнин А.И. Влияние внешних условий и параметров пыли на темп тепловой десорбции ледяных мантий Астрономический журнал (год публикации - 2025)

2. Накибов Р.С., Картеева В.М., Петрашкевич И.В., Ожиганов М.Э., Медведев М.Г., Васюнин А.И. Solid and Gaseous Methane in IRAS 23385+6053 as seen with Open JWST Data The Astrophysical Journal Letters, The Astrophysical Journal Letters, Volume 978, Number 2 (год публикации - 2025)
10.3847/2041-8213/ada290

3. Ожиганов М.Э., Медведев М.Г., Картеева В.М., Накибов Р.С., Сапунова У.А., Крушинский В.В., Степанова К., Трясцина А.С., Горьковенко А.Н., Федосеев Г.С., Васюнин А.И. Infrared Spectra of Solid HCN Embedded in Various Molecular Environments for Comparison with the Data Obtained with JWST The Astrophysical Journal Letters, The Astrophysical Journal Letters, Volume 972, Number 1, L10 (год публикации - 2024)
10.3847/2041-8213/ad6d5c

4. Васюнин А.И., Борщева Е.В., Можегоров А.А., Пунанова А.Ф., Ожиганов М.Э., Медведев М.Г., Картеева В.М., Накибов Р.С. Modeling the Composition of Interstellar Ices observed with the James Webb Space Telescope INTERNATIONAL CONFERENCE ON PHYSICS AND CHEMISTRY OF COMBUSTION AND PROCESSES IN EXTREME ENVIRONMENTS. Proceeding of the conference. Insoma-Press, Samara, 2024, Modeling the Composition of Interstellar Ices observed with the James Webb Space Telescope / A. Vasyunin, E. Borscheva, A. Mozhegorov [et al.] // International Conference on Physics and Chemistry of Combustion and Processes in Extreme Environments : Proceeding of the conference, Samara, 02–06 июля 2024 года. – Samara: OOO “Insoma-Press”, 2024. – P. 35. – EDN CQHGWP. (год публикации - 2024)

5. Пунанова А.Ф., Борщева Е.В., Федосеев Г.С., Каселли П., Вибе Д.З., Васюнин А.И. Correlation between formaldehyde and methanol in prestellar cores Oxford University Press, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 537, Issue 4, March 2025, Pages 3686–3700 (год публикации - 2025)
10.1093/mnras/staf214

6. Островский А. Б., Васюнин А. И. Оценка расстояния до ближайшего соседа на поверхности пылевой частицы Физика космоса : труды 51-й Всероссийской с международным участием студенческой научной конференции, стр. 291 (год публикации - 2024)
10.15826/B978-5-7996-3848-1.60

7. Сатонкин Н.А., Островский А.Б., Можегоров А.А., Пунанова А.Ф., Васюнин А.И. Off-lattice microscopic Monte Carlo modelling of molecular hydrogen formation on carbonaceous dust grains Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 543, Issue 3, November 2025, Pages 2567–2574 (год публикации - 2025)
10.1093/mnras/staf1600

8. Борщева Е.В., Федосеев Г.С., Пунанова А.Ф., Каселли П., Хименес-Серра И., Васюнин А.И. Formation of Complex Organic Molecules in Prestellar Cores: The Role of Nondiffusive Grain Chemistry The Astrophysical Journal, The Astrophysical Journal, 990:163 (25pp), 2025 September 10 (год публикации - 2025)
10.3847/1538-4357/adea73

9. Макаров К.А., Островский А.Б., Васюнин А.И. О неточности астрохимического моделирования с использованием различных баз данных о кинетике реакций Astronomy Reports (год публикации - 2026)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 годe была опубликована статья в The Astrophysical Journal Letters, посвященная изучению инфракрасных полос поглощения HCN в различных молекулярных окружениях, имитирующих межзвёздный лёд или поверхности полиароматических пылевых частиц межзвёздной среды. Полученные инфракрасные спектры выложены в публичный доступ для стимулирования поисков конденсированного HCN по спектрам JWST. Насколько известно авторам, опубликованная статья – первая российская статья по лабораторной астрохимии аналогов межзвездных льдов. Для проведения подобного анализа наблюдательных данных в других научных группах полученные нами спектры находятся в публичном доступе на веб-сайте в сети Интернет по адресу: https://zenodo.org/records/12711013 (DOI:10.5281/zenodo.12711013). Также в ФИПС подана заявка 2024117302 на регистрацию патента на определение сил полос поглощения льдов в условиях сверхвысокого вакуума и низких температур. Впервые получены лабораторные ИК-спектры метана в различных кристаллических фазах (II и II*), что важно для описания наблюдательных данных. Удалось улучшить описание состава льда в объекте IRAS 23385+6053 с помощью спектров сравнения метана, полученных на установке ISEAge. Для объекта определены параметры газофазного метана, показано, что метан в ледяных мантиях преимущественно содержится в среде CO2. Статья по данному исследованию направлена в The Astrophysical Journal Letters. Проведены эксперименты по получению слоистых льдов для изучения влияния верхнего слоя СО на метан, содержащийся в полярном слое. Наблюдается появление дополнительного пика, ассоциируемого с влиянием СО. Получены новые для литературы бинарные и многокомпонентные смеси закиси азота в различных матрицах для поиска N2O в межзвездной среде, заявлено предварительное обнаружение N2O в IRAS 23385+6053. Установлен верхний предел лучевой концентрации (N<2·10^11 см^-2) и содержания (X<3.3·10^-12) СН2ОН в дозвездных ядрах G209.94-19.52N и L1544. В направлении холодного плотного ядра B10-1/L1495 зарегистрированы линии метокси радикала, формил радикала и таких сложных органических молекул (СОМ) как кетен, диметиловый эфир, ацетальдегид. Наблюдаемые радикалы являются прекурсорами наблюдаемых СОМов. Полученные наблюдаемые содержания этих соединений позволят наложить наблюдательные ограничения на разрабатываемую в рамках проекта модель химии MONACO. Также зарегистрированы линии углеродных цепочек CH3CCH, l-H2CCC, HC3N, C3O, c-C3H2, что заслуживает внимания в контексте соотношения СОМов и углеродных цепочек. Подготовлена и отправлена в журнал MNRAS статья Correlation between formaldehyde and methanol in prestellar cores (Punanova et al.). В работе оценены лучевая концентрация (~10^13 см-2) и содержание (~10^-9) формальдегида относительно Н2 и метанола в семи холодных ядрах. Показано, что содержание формальдегида сравнимо или меньше, чем содержание метанола, что расходится с предсказаниями моделей (Vasyunin et al. 2017, Sipila et al. 2020, Chen et al. 2022, Garrod et al. 2022). Проведено исследование путей образования и разрушения формальдегида в обновленной модели MONACO (Borshcheva et al. на рассмотрении в ApJ) чтобы воспроизвести наблюдаемое содержание H2CO и отношение H2CO:CH3OH. Показано, что изменение начальной металличности облака (в том числе и изменения содержания отдельно кислорода и серы), скорости ионизации космическими лучами, начальной температуры облака, добавление коллапса а также изменение скоростей реакций в рамках представленных в литературе не приводят к существенному изменению содержания формальдегида и отношения H2CO:CH3OH. Выполнено исследование соотношения каналов реакции образования формальдегида СН3+О (Xu et al. 2015): СО+Н2+Н и Н2СО+Н от 1:1 до 16:1. Показано, что соотношение 8:1 оптимально чтобы приблизить смоделированное содержание Н2СО и отношение H2CO:CH3OH к наблюдаемым. Таким образом в работе наложены наблюдательные ограничения на соотношения каналов химической реакции. Проведены детальные расчеты темпов тепловой десорбции компонентов ледяной мантии с пыли в широком диапазоне размеров пыли, для разных материалов (силикатных и углеродных) и толщин мантий. Показано, что темп тепловой десорбции варьируется в пределах нескольких порядков в зависимости от радиуса пыли, и до порядка при переходе от внешних к внутренним слоям облака, а также варьируется до порядка величины при рассмотрении разных типов материала пыли. Мы показали, что стандартный подход расчета темпа тепловой десорбции, дает оценки, отличные от наших детализированных расчетов на 1-2 порядка, что может значительно сказываться на параметрах и содержании ледяной мантии на пыли. Нами модифицирована астрохимическая модель MONACO путем включения нескольких населений пыли, различных по размеру и составу, при этом для каждого населения пыли имплементирована функция распределения температуры. Изменен подход к расчету поверхностных реакций: от расчета темпа, соответствующего равновесной температуре пыли, к расчету интегрального темпа по всему диапазону температур. С помощью новой модели нам удалось повысить теоретические предсказания содержаний сложных органических молекул как в газе, так и внутри мантии, что приближает нас к объяснению наблюдаемого количества СОМов в дозвездных ядрах. Направлены в ведущие журналы статья о неточности астрохимического моделирования с использованием различных баз данных о кинетике реакций, статья о моделировании образования молекулярного водорода на поверхности углеродной пылевой частицы бессеточным методом Монте-Карло, а также статьи о моделировании химической эволюции сложных органических молекул и состава ледяных мантий пылевых частиц с учетом недиффузионных поверхностных химических процессов.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
По результатам анализа открытых наблюдательных данных 16 протозвезд, полученных на инструменте NIRSpec телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST), нами впервые уверенно обнаружена молекула закиси азота (N2O) в межзвездных льдах. Всего уверенно обнаруженных в межзвездных льдах молекул в настоящее время менее десятка. Анализ наблюдательных данных произведен с использованием лабораторных спектров закиси азота в различных окружениях, полученных впервые в нашей лаборатории. Показано, что закись азота содержится преимущественно в неполярном слое льда на пыли. Содержание твердофазного N2O в межзвездных льдах оценено как 0.2-2.1% от содержания твердофазного CO. В результате проведённой работы была впервые проведена аппроксимация спектров телескопа JWST, позволяющая заявить об обнаружении пероксида водорода, а также оценить по этим данным количество молекулярного кислорода, что станет важным шагом к решению вопроса о «невидимом» межзвёздном кислороде. Получение спектров многокомпонентной смеси, имитирующей полярный лёд, допированной O2, позволило отследить изменения, связанные с присутствием ИК-неактивной молекулы кислорода. При помощи анализа спектральных полос «свободных» (ненасыщенных) OH-связей (dOH) мы оценили верхний предел содержания N₂ в межзвездных льдах в направлении на три протозвезды как 3–5% относительно льда H₂O, в предположении сходного распределения CO и N₂ во льду. Данная работа впервые даёт количественные ограничения на содержание твёрдого N2 в плотных молекулярных облаках с точки зрения инфракрасной спектроскопии dOH-групп, что стало возможным благодаря беспрецедентной чувствительности телескопа JWST, позволившей обнаружить эти слабые межзвёздные полосы. Получен патент (номер патента 2833831) на методику измерения относительных интенсивностей полос поглощения. Данная методика позволяет определять соотношение сил полос поглощения льдов двух различных веществ. Её ключевое отличие от общепринятых подходов заключается в том, что она не требует трудоёмких измерений плотности и толщины льда; однако, в результате её применения можно определить лишь отношение сил полос, а не их абсолютные значения. С помощью определяемых с её помощью параметров можно исследовать как лабораторные, так и межзвёздные льды. Мы провели широкий спектральный обзор с высокой чувствительностью (~3 мК) с помощью телескопов IRAM 30m и Yebes 40m в направлении пика излучения НСО в холодном ядре B10-1/L1495. Мы зарегистрировали множество линий таких СОМов как кетен, диметиловый эфир, ацетальдегид, муравьиная кислота, метил формиат, метил ацетилен. Мы рассчитали их лучевые концентрации и содержания относительно молекулярного водорода и метанола и сравнили их с результатами, полученными в химической модели MONACO (Vasyunin et al. 2017, Borshcheva et al. 2025). Наблюдаемые относительные содержания t-HCOOH, CH3OCHO и CH3OCH3 согласуются с предсказанными моделью в пределах порядка величины, что соответствует точности химической модели. Однако, наблюдаемые содержания H2CCO и CH3CHO на один порядок величины ниже ожидаемых согласно модели. Полученные наблюдаемые содержания этих соединений позволяют прояснить механизмы образования СОМов в холодном газе. По результатам выполненных работ, L1495/B10-1 в настоящее время входит в небольшое число (<15) холодных ядер, для которых определено содержание нескольких СОМов одновременно. В модель MONACO включено описание множественных популяций межзвездных пылевых частиц различного химического состава и размеров. Ключевым усовершенствованием кода также является добавление учета временных флуктуаций температур пылевых частиц за счет событий стохастического нагрева. Результаты моделирования с обновленным кодом показывают ключевую роль температурных флуктуаций пылевых частиц разного размера и состава в образовании сложных органических молекул в межзвездных льдах и их последующей доставке в газовую фазу. Фактически, учет температурных флуктуаций позволяет обеспечить эффективное протекание многих реакций между радикалами в условиях холодных темных облаков. Таким образом, возникает альтернативный сценарий образования сложных органических молекул в холодных облаках и дозвездных ядрах, дополняющий развитый ранее сценарий, опирающийся на недиффузионную поверхностную кинетику.

Публикации