Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках этапа 2021 года была разработана модель эволюции пыли, состоящей из гидрогенизированного аморфного углерода, в условиях областей фотодиссоциации и молекулярных облаков. Модель объединена с численным кодом для расчетов химической эволюции межзвездной среды MONACO. С помощью наблюдений исследована значимость вклада продуктов фотодиссоциации ГАУ в содержание малоатомных углеводородов в областях фотодиссоциации, проведено сравнение с результатами разработанной модели эволюции пыли. Проведено тестирование модели MARION с расширенной сеткой газофазных реакций, которые приводят к образованию сложных органических молекул и их прекурсоров в областях фотодиссоциации, и обновленной сеткой реакций фотодиссоциации. Построена модель диффузионной химии, индуцируемой космическими лучами в ледяных мантиях. Проведено тестирование модели химической эволюции дозвездных ядер на большом однородном массиве наблюдательных данных, в результате которого наложены важные наблюдательные ограничения на свободные параметры модели - диффузию атомарного и молекулярного водорода путем туннелирования, эффективность реактивной десорбции молекул, эффективность фотодесорбции СО. Разработана модель эволюции пыли, состоящей из гидрогенизированного аморфного углеводорода для условий областей фотодиссоциации и молекулярных облаков. Модель объединена с численным кодом для расчетов химической эволюции межзвездной среды MONACO. Модель позволяет рассчитать содержание малоатомных углеводородов. В нашей модели мы учитываем несколько процессов: фотодиссоция и последующее реструктурирование материала пылинки из аморфного состояния в кристаллическое, термодесорбция, аккреция атомов углерода и водорода на пылинку, а также диссоциация космическими лучами. Мы применили модель к двум областям фотодиссоциации, Orion Bar и Конская Голова. По результатам вычислений были сделаны следующие выводы: 1) фотодиссоциация пыли ведет к обогащению среды малоатомными углеводородами, которые посредством дальнейшего участия в химических реакциях, могут образовывать наблюдаемые углеводороды; 2) вклада этих малоатомных углеводородов недостаточно для объяснения наблюдаемых содержаний таких углеводородов, как C2H, C3H2 и др. Дополнительно к основным выводам можно добавить еще один важный вывод о том, что процесс аккреции атомов водорода и углерода и формирование аморфной углеродно-водородной мантии (аналогичной тонким пленкам из аморфного углерода, широко используемым в инженерии) нерелевантен для межзвездной среды. Другим результатом работ за отчетный период стали расчеты химической структуры коллапсирующих дозвездных ядер, выполненные в одномерном приближении. Применение модифицированной оценки непрозрачности внешних слоев облака в модели сжатия облака до стадии первого гидростатического ядра позволило получить реалистичные результаты выполненных к текущему моменту предварительных оценок химического состава сжимающегося темного облака и эволюции химического состава во внешних (R=1000…30000 а.е.) частях облака. Модифицированная модель динамики облака позволяет получить обедненный молекулами внешний слой, что хорошо соответствует влиянию поглощения света в объекте на эффективность образования молекул в межзвездной среде (см., например, Sokolova et al., 2020, Snow et al., 2006). Далее, в соответствии с планом работ, выполнялось обобщение модели диффузионной химии, индуцируемой космическими лучами в ледяных мантиях, на произвольные величины потока и химический состав космических лучей. Разработан метод расчета эволюции температуры в «горячих цилиндрах», инициируемых частицами космических лучей различного химического состава. Для этих целей, в частности, применяется код SRIM (Ziegler et al., 2010), позволяющий рассчитывать тормозную силу (stopping power) для различных химических элементов в разнообразных средах. Заканчивается подготовка публикации в журнал из первого квартиля (Q1) с описанием полученных результатов. Метанол - простейший спирт, один из важнейших прекурсоров сложных органических и пребиотических молекул. В областях формирования звезд метанол образуется достаточно рано, он виден уже в газе холодных дозвездных ядер. В такой среде, при температуре ~10 K, метанол образуется в ледяных мантиях межзвездной пыли путем последовательного присоединения атомов водорода к молекуле СО, которая активно физисорбирует на пыль. На последнем шаге гидрирования энергия, выделяющаяся при протекании реакции, может быть потрачена на десорбцию вновь образовавшейся молекулы метанола с поверхности мантии. Моделирование этого процесса предсказывает, что максимум метанола в газе дозвездного ядра будет на внешней границе области активного "вымораживания" СО, где на поверхности пыли достаточно материала для образования метанола, а плотность среды достаточно высокая, чтобы метанол мало разрушался внешним ультрафиолетом, и достаточно низкая, чтобы скорость физисорбции метанола не превышала скорость его образования и десорбции. Таким образом, наблюдаемое содержание метанола в холодных ядрах должно коррелировать и с вымораживанием СО, и с межзвездным поглощением света, Av, своего рода эквивалентом плотности газа. Мы использовали карты излучения четырех линий метанола в направлении семи плотных ядер в области звездообразования L1495, полученные с помощью телескопа IRAM 30 m, карты Av, построенные по данным непрерывного излучения пыли с телескопа имени Гершеля и карты С18О из работы Tafalla & Hacar (2015), чтобы проверить предсказания химической модели о наблюдаемом содержании метанола в газе холодных ядер и его корреляцией с видимым поглощением света и степенью вымерзания СО. Это первое исследование метанола, выполненное сразу в нескольких источниках одной и той же области звездообразования, с угловым разрешением, достаточно высоким, чтобы разрешить плотные ядра. Сравнение результатов модели с результатами наблюдений позволили ограничить важные свободные параметры модели. Чтобы воспроизвести наблюдаемое в холодном газе содержание метанола, необходима поверхностная диффузия атомов водорода путем туннелирования, эффективность фотодесорбции СО – 0.01 молекул на один пришедший фотон, что соответствует экспериментальным результатам (Fayolle et al. 2011), а эффективность реактивной десорбции должна быть 0.64%, что соответствует расчетам по эмпирической формуле Миниссале, полученной в ходе лабораторных исследований (Minissale et al. 2016), с использованием общепринятых значений энергии десорбции метанола и эффективной массы элемента поверхности.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Мы разработали модель разрушения пылевых частиц, состоящих из гидрогенизированного аморфного углерода, космическими лучами с учетом того, что мелкие и крупные пылевые частицы могут диссоциировать по-разному в результате различия в темпах релаксации полученной энергии. Продукты диссоциации пылевых частиц, состоящих из ГАУ, были использованы как дополнительный источник углеводородов в химической модели MONACO. Был оценен вклад поступления этого дополнительного источника углеводородов в условиях темных облаков (а именно - в плотной темной части области Конская голова) в содержание наблюдаемых углеводородов C2H, C2H2, C3H+, C3H, C3H2, C4H. Этот вклад оказался пренебрежимо мал. Таким образом, сделан вывод о том, что диссоциация пылевых частиц, состоящих из ГАУ, космическими лучами не играет значимой роли в обогащении химического состава среды темных молекулярных облаков. Исследовано протекание химии, индуцируемой космическими лучами в ледяных мантиях пылевых частиц при различных величинах потоков частиц космических лучей. Оценки выполены для диапазона скоростей ионизации космическими лучами от 10(-15) см-1 до 10(-18) см-1, что соответствует скоростям ионизации в диффузной среде и центром типичного дозвездного ядра. Была обнаружена квазилинейная (с поправкой на насыщение) зависимость доли ледяных мантий, процессированной космическими лучами, в зависимости от потока космических лучей. При скорости ионизации порядка 10(-18) см-1 за 10(6) лет воздействию космических лучей подвергается менее 10% объема ледяных мантий. В то же время, при скорости ионизации космическими лучами 10(-16) см-1 90% объема ледяных мантий подвергаются воздействию частиц космических лучей за ~2x10(5) лет, что сопоставимо с типичными оценками возрастов дозвездных ядер. Сделан вывод о том, что вклад процессинга льда космическими лучами в образование органических молекул в дозвездных ядрах может быть переоценен, т.к. он возрастает со временем, а времена жизни дозвездных ядрах, как показано при решении другой задачи в рамках данного проекта, могут быть меньше 10(5) лет. Это в несколько раз меньше оценки возрастов ядер, получаемых с использованием статических химических моделей (до 3х10(5) лет). Оценен вклад недиффузионных химических процессов в образование сложных органических молекул. Показано, что вклад недиффузионных химических процессов в образование органических молекул во льдах существенно выше, чем вклад от "горячих цилиндров", возникающих вдоль треков прохождения частиц космических лучей через мантии для скоростей ионизации, характерных для дозвездных ядер (10(-17) с-1 и ниже). В то время, как содержания органических молекул (CH3OCH3, HCOOCH3, NH2CHO), синтезированных в "горячих цилиндрах", возникающих вдоль треков прохождения частиц космических лучей, осредненные для всего объема ледяных мантий, не превышает 10(-5) относительно водяного льда, содержания органических молекул, возникающих в недиффузионных химических процессах, достигает во льдах значений 10(-3) относительно водяного льда, а иногда и несколько превышает их. Вклад горячих треков космических лучей во льду, однако, также имеет значение, т.к. при высоких температурах преодолевается не только барьер для диффузии, но и барьеры активации некоторых реакций. Сам по себе недиффузионный механизм не обеспечивает преодоление барьеров активации химических реакций. Проведено моделирование химической эволюции в филаменте L1495 и в дозвездных ядрах, L1544, L1521E и L183 до стадии первого дозвездного ядра. Полученные результаты демонстрируют подобные радиальные распределения во всех рассмотренных ядрах содержаний соответствующих молекул и их аналогичную эволюцию на стадии сжатия. На этапе сжатия облака до стадии первого протозвездного ядра динамическое изменение физических параметров облака оказывает незначительное влияние на радиальные распределения содержаний рассматриваемых молекул (CH3OH, CH3CHO, CH3OCH3, HCOOCH3, NH2CHO, CO, N2, NH3, N2H+). Относительные обилия рассмотренных сложных органических молекул и их предшественников имеют практически одинаковые пространственные распределения в динамической и статической моделях. Значимые отклонения между моделями возникают в малой центральной пространственной области с R < 100 а.е. и только на стадии разогрева первого протозвездного ядра. Значительное воздействие динамических эффектов изотермического сжатия на химическую эволюцию ядра обнаружено только в смысле сильного смещения оценок времени эволюции облака на основе относительных обилий молекул и их пространственного распределения. Оценки, полученные в динамической и статической моделях, дают разброс моментов времени эволюции для сходных относительных обилий молекул в порядок величины. Таким образом, метод химических часов в применении к дозвездным ядрам является крайне чувствительным к модельным параметрам и дает неустойчивые и не вызывающие доверие оценки времени эволюции подобных систем. За 2022 год на расширенной выборке из 23 холодных ядер проведено исследование содержания СО и его абсорбции на пыль и исследование эффективности фотодесорбции СО. Согласно нашим результатам, общее содержание СО в молекулярном облаке Тельца должно быть 0.00027, а эффективность фотодесорбции должна составлять 0.01 молекулы на один пришедший фотон. Подготовлена к отправке в журнал статья о корреляции содержания формальдегида и метанола в холодных ядрах. В статье представлены карты лучевой концентрации и содержания формальдегида в семи холодных ядрах. Эти данные могут быть использованы для тестирования и совершенствования химических моделей, результаты которых (содержание формальдегида и отношение метанола к формальдегиду) пока что не согласуются с наблюдениями. Были проведены наблюдения линий формил-радикала, метокси-радикала и дейтерированного формальдегида в направлении холодного ядра L1495/B10-1. Все линии НСО и HDCO были успешно зарегистрированы. Впервые получены карты излучения формил-радикала в маломассивном холодном ядре. На содержание метокси-радикала будет наложен верхний предел, поскольку линии не были зарегистрированы. Анализ этих данных позволит полностью восстановить цепочку образования метанола на поверхности ледяных мантий пылевых частиц и наложить обоснованные ограничения на параметры химической модели.