Tumšajos starpzvaigžņu gāzu-putekļu miglājos esošo putekļu ietekme uz šo miglāju ķīmisko sastāvu - Kalvāns, Juris (Latvijas Universitāte, 2013)
Viens aktuālajiem astrofizikas pētījumu priekšmetiem ir zvaigžņu un planētu sistēmu veidošanās. Šis process nosaka šo objektu parametrus un turpmāko evolūcijas gaitu, tas ir noteicis arī Saules sistēmas fizikālos un ķīmiskos parametrus. Zvaigžņu veidošanās notiek molekulārajos starpzvaigžņu miglājos, gravitatīvas saspiešanās ceļā tiem izveidojot aukstu, blīvu kodolu, kura pastāvēšanas ilgums ir aptuveni viens miljons gadu. Šeit notiek gandrīz visu miglājā esošo par He smagāko elementu izsalšana uz starpzvaigžņu putekļiem. Turpmākajā attīstībā rodas protozvaigzne, ap kuru izveidojas protoplanetārais disks. Blīvajam molekulārajam kodolam un diskam raksturīga daudzveidīga gāzes un, jo īpaši, cietās fāzes ķīmija. Šie objekti tiek pētīti, galvenokārt, novērojot dažādus savienojumus gan gāzveidā, gan ledū uz starpzvaigžņu putekļiem. Novērojumu izskaidrošanai izmanto attiecīgi pielāgotu matemātisko (astroķīmijas) modelēšanu. Modeļi vienlaikus sniedz skaidrojumu par šāda tipa objektos notiekošajiem dažādajiem procesiem. Gāzes molekulu izsalšana, piedalīšanās ķīmiskās reakcijās uz putekļu virsmas ir viens no svarīgākajiem procesiem, kā putekļi ietekmē molekulāro miglāju ķīmisko sastāvu. Darbā pētīti uz starpzvaigžņu putekļiem esošā ledus slānīša pārstrādes procesi, kas notiek tumšajā molekulārā mākoņa kodolā pirms zvaigžņu izveidošanās. Izmantojot literatūrā aprakstītus eksperimentu rezultātus, parādīts, ka ledus ķīmiska un fizikāla pārveidošanās notiek ne tikai uz tā ārējās virsmas (kā pieņemts esošajos astroķīmijas modeļos), bet turpinās arī pēc tam, kad molekulas tikušas ieslēgtas ledus režģī, slānīša tilpumā. Autors savā darbā izteicis ideju un formulējis pamatojumu, kā šos procesus aprakstīt ar matemātisku modeli. Idejas pārbaudīšanai un zemvirsmas procesu ietekmes novērtēšanai izveidots astroķīmijas kinētisko aprēķinu modelis. Darbs ir pirmais mēģinājums apvienot neskaitāmos eksperimentos gūtos priekšstatus par starpzvaigžņu ledū notiekošajiem procesiem vienotā modelī, kas spēj sniegt kvantitatīvus rezultātus. Tas īpaši aktuāls, jo jau šobrīd teorētiskie modeļi ne vienmēr spēj izskaidrot zvaigžņu veidošanās rajonu novērojumu rezultātus. Šī problēma kļūst vēl redzamāka laikā, kad astronomu rīcībā nonāk vai drīzumā nonāks vairāki instrumenti ar lielisku jutību, telpisko un spektrālo izšķirtspēju (ALMA, JWST). Tā kā līdzvērtīgi astroķīmijas modeļi līdz šim vēl nebija tikuši izmantoti, autors darba vajadzībām izveidojis jaunu aprēķinu rezultātu apstrādes metodiku. No rezultātiem secināts, ka zemvirsmas procesi var nozīmīgi ietekmēt starpzvaigžņu putekļos esošā ledus sastāvu, kā arī un gāzes fāzes sastāvu pēc ledus iztvaikošanas, kas vērojama protozvaigznēs. Tie ir īpaši nozīmīgi, jo zemvirsmas ledū blīvā starpzvaigžņu gāzē atrodas lielākā daļa smago elementu atomu. Jau ar izveidoto konceptuālo modeli iespējams rast izskaidrojumu vairākām astroķīmijas problēmām un izmantot to kā papildus līdzekli tumšo starpzvaigžņu miglāju ķīmisko procesu skaidrošanai. Zinātnes nozarē nozīmīgs var būt iespējamais atklājums, ka molekulas starpzvaigžņu ledū tikai nelielā mērā ir bagātinātas ar deiteriju. Turpmākais modeļa pielietojums, īpaši, to pilnveidojot, ir daudzsološs un vajadzīgs, lai papildinātu izpratni par norisēm zvaigžņu veidošanās rajonos.

The formation of stars and planetary systems is an important research discipline in astrophysics. The conditions of their place of origin determine the properties and subsequent evolution of these objects. Also, the evolution of the Protosolar nebula has determined the properties and composition of Solar system bodies. The formation of stars occurs in interstellar molecular clouds. Dark, dense pre-stellar cores form in the clouds via gravitational contraction. They last for about a million years, before a protostar has formed. Almost all chemical elements, heavier than He, freeze-out onto interstellar dust-grains. While the protostar forms, the cloud core transforms into a protoplanetary disk. A varied gas-phase and ice chemistry characterizes the cores and the disks. The chemistry in these objects is investigated by observing various chemical species. The species are either in the gas-phase or in the solid-phase as ice frozen onto the dust-grains. For the interpretation of the observations and in order to determine the underlying physics in these objects, astrochemical modeling is used. At low temperature, gas-phase species accumulate onto the dust-grains. It is among the primary processes for the influence of dust on the composition of molecular clouds. The accumulated species are then chemically processed in the ice-phase. Their transformations are the subject of research of this paper. It is shown that chemical changes of the molecules in the ice occur in the mantle layers below the surface. In current astrochemical models the chemical transformation of the subsurface ice mantle is ignored. A concept describing the ice-mantle chemical processing with a mathematical model has been proposed by the author. The description is justified by the published results of many experiments with interstellar ice analogues. It is the first attempt to unite the experimental results in a theoretical model that is able to produce quantitative results. Some observational results of star-forming sites are hardly explained by existing models. This problem is becoming even more obvious in a time, when instruments with extraordinary spatial and spectral resolution (ALMA, JWST) are developed. There have been no similar astrochemical calculations yet. Because of this, a new methodology for result analysis has been elaborated in this paper. The calculation results show that sub-surface processing of ice may have a profound impact on the chemical composition of the ice and the gas (after ice sublimation). It is especially so because the layers below the outer-surface of the ice mantle contain most heavy-element atoms in the pre-stellar cores. Even with the conceptual model described in this paper it is possible to propose a solution for several known problems in astrochemistry. The possible discovery that interstellar ice is only slightly enriched with deuterium may be of major importance in the field. Generally the model may serve as an additional tool to explain the chemistry of molecular clouds. The subsequent use and improvement of the model is promising, and is needed in order to improve the current understanding on the processes at work in star-forming sites.
The influence of interstellar dust on the chemical composition of dark interstellar molecular clouds
Elektroniskā versija nesatur pielikumus
Keywords: Fizika; Astrofizika un fundamentālā astronomija; Miglāji; Starpzvaigžņu vide; Astronomy; Nebulae; Interstellar matter