Starpzvaigžņu putekļu virsmas un mantijas ķīmisko procesu makroskopiskā Montekarlo modelēšana

Abstract

No starpzvaigžņu vides novērojumiem konstatēts, ka ap starpzvaigžņu putekļa kodolu aukstos apstākļos (T~10 K) aug ledus apvalciņš no apkārtējās vides gāzes vielām, kuras piesalst pie šī putekļa. Ledus apvalciņu var ķīmiski diferencēt virsmā un mantijā. Šī ledus apvalka virsma un mantija ļauj veidoties sarežģītām molekulām starpzvaigžņu vidē. Tagad nāk daudz spektroskopisku datu par to kā šie putekļi palīdz veidoties sarežģītām un pat organiskām molekulām, ir nepieciešams izveidot modeļus, kas saskaņā ar šiem datiem spēs modelēt starpzvaigžņu vides reakciju kinētiku un palīdzēs izskaidrot kompleksu molekulu rašanos starpzvaigžņu vidē. Ņemot vērā to, ka puteklis sastāv no maza skaita molekulu, relatīvi pret apkārtējo gāzi, ir nepieciešams ņemt vērā reaģentu fluktuācijas kad tiek apskatīta reakciju kinētika. Šajā darbā tiek izveidots makroskopisks modelis starpzvaigžņu putekļu mantijas difūzijai un reakcijām. Tiek simulēta starpzvaigžņu vides reakciju kinētika un fizikālie procesi ņemot vērā vielu koncentrāciju diskrētumu. Modeļa pamatā ir Džilespie algoritms (angl. Gillespie algorithm), kas ļauj simulēt reakcijas kā Markova ķēdes procesus. Šī pieeja ļauj simulēt lielāku reakciju un reaģentu skaitu ar starpzvaigžņu putekļu mantijas difūziju nekā citi modeļi. Aprēķinā tiek apskatīta ķīmija caurspīdīgam molekulāram mākonim, kurš gravitācijas ietekmē saraujās un kļūst par aukstu tumšo mākoni (angl. cold dark cloud). Šie apstāķli ir svarīgi, lai izprastu protozvaigžņu ķīmisko veidošanās procesu. Šī darba aprēķini liecina, ka modelis labi apraksta putekļu augšanu, bet pārāk augstu novērtē mantijas fotodisociācijas reakciju ātrumu konstantes un ir labs pirmais solis mantijas reakciju un difūzijas iekļaušanai makroskopiskā veidā.

Observations of the interstellar medium show that in cold conditions (T~10 K) a coat of ice around interstellar dust cores forms from surrounding gas. This coat of ice can be chemically differentiated two parts: surface and mantle. This icy surface an mantle allows complex molecules to form in the interstellar medium. Models for dust grain mantle reactions and diffusion need to be developed for the simulation of chemical kinetics, because of new spectroscopic data coming about the formation of complex molecules with the help of interstellar grain mantle processes. It is well known that interstellar dust grains consist of a small amount of molecules compared to the interstellar gas. Therefore, the effect of reagent fluctuation in the interstellar grains needs to be taken into account when considering the chemical kinetics of the interstellar medium. In this thesis, a macroscopic model for interstellar ice mantle diffusion and mantle reactions is developed. The reactions are simulated with Gillespie’s algorithm, which models reactions as Markov chain processes and takes into account the fluctuation of reaction reagents. This approach allows a larger reaction network and more reagents to be included in the simulation than other microscopic approaches. The physical conditions of a cold collapsing translucent molecular cloud, which collapses to a cold dark cloud, are considered. These conditions are important in understanding the chemical development stages of protostars. The calculations in this thesis show that the model describes the growth of the ice mantle pretty well, but the evaluated reaction rates for mantle photodissociation are estimated too high in the model. In conclusion, this model is a step in the positive direction in developing a macroscopic approach for diffusion and reaction in the ice mantle.