ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2020, том 46, № 6, с. 405-414

ДЕЙТЕРИРОВАННЫЕ ИЗОТОПОЛОГИ ВОДЫ И МЕТАНОЛА

В ОБЛАСТЯХ ЗВЕЗДООБРАЗОВАНИЯ

¹Институт астрономии РАН, Москва, Россия

Поступила в редакцию 25.02.2020 г.

После доработки 25.05.2020 г.; принята к публикации 26.05.2020 г.

Рассмотрена эволюция содержания однократно и двукратно дейтерированных изотопологов воды и

метанола в типичном протозвездном облаке. Выявлены основные процессы, определяющие их обилие

в различных регионах облака. Показано, что содержания дейтерированных изотопологов в ряде

случаев могут превышать содержание основных молекул.

Ключевые слова: астрохимия, межзвездные молекулы, молекулярные облака.

DOI: 10.31857/S0320010820060054

ВВЕДЕНИЕ

ядра) необходимо для изучения эволюции дейте-

рированных компонентов на поздних стадиях (от

протопланетных дисков до планет).

Развитие наблюдательных технологий позво-

ляет получать молекулярные спектры с высокой

В данной работе представлены результаты для

детализацией. Так были обнаружены и идентифи-

воды и метанола, двух астробиологически важных

цированы множество изотопологов, т.е. молекул,

компонентов. Наблюдения дейтерированных изо-

в которых один или несколько атомов замещены

топологов метанола интересны как с точки зрения

более редкими изотопами. С обнаружением дейте-

диагностики физических и химических условий в

рия перед астробиологией и астрохимией возникла

дозвездных и протозвездных ядрах, так и с точки

задача определения отношения D/H и соотноше-

зрения исследования особенностей дальнейшего

ния изотопологов, основного и дейтерированных,

усложнения структуры органических молекул (Оба

особенно в водных льдах на кометах, планетах

и др., 2016; Мурга и др., 2020; Варакин, Мурга,

(Бокеле-Морван и др., 1998; Энкренас и др., 2018)

2020). Еще больший интерес представляют наблю-

и спутниках (Кларк и др., 2019). Информация о

дения дейтерированных аналогов воды — HDO и

соотношении помогает прояснить эволюцию и про-

D₂O. Вода не только представляет собой один из

шлое самих объектов.

ключевых резервуаров кислорода и важный эле-

мент теплового баланса межзвездного вещества

В поисках ответов на вопросы об эволюции

(Таке и др., 2013). Она также является одним из

целесообразно заглянуть глубже в прошлое, в ре-

основных ингредиентов жизни. Изучение эволюции

гионы, где формировались первые молекулы по-

дейтерированных молекул воды считается сейчас

лутяжелой воды и других дейтерированных компо-

основным инструментом для определения путей по-

нентов. Первые молекулы появляются в холодных

падания воды на Землю. В связи с этим представ-

плотных облаках в областях звездообразования. В

ляется важным построение все более детальных

данной работе были проведены численные расчеты

моделей эволюции этих соединений.

химической эволюции области звездообразования,

начиная с изначального атомарного состава и до

химического возраста в один миллион лет. Так

МОДЕЛЬ ПРОТОЗВЕЗДНОГО ОБЪЕКТА

как значительной части молекул, образующихся

на ранних стадиях звездообразования, удается со-

В работе использована модель “Presta”, пред-

храниться в суровых условиях бурных процес-

назначенная для изучения химической эволюции

сов более поздних стадий, принять во внимание

одномерного молекулярного облака с учетом цен-

начальную стадию эволюции (холодные плотные

трального источника излучения и внешнего УФ-

поля (Кочина и др. 2013; Кочина, Вибе, 2014а,

^*Электронный адрес: okochina@inasan.ru

2014b; Кочина, Вибе, 2017). С ее помощью была

405

406

КОЧИНА, ВИБЕ

250

(а)

10⁷

(б)

200

10⁶

10²

150

Плотность

Т крупных пылинок

10⁵

Т мелких пылинок

100

10¹

AV, i, MD

AV, o

, MD

10⁰

AV, i, D

10³

AV, o, D

10^-1

10¹⁵

10¹⁶

10¹⁷

10¹⁸

10¹⁵

10¹⁶

10¹⁷

10¹⁸

Радиус, см

Рис. 1. Модель объекта: (а) профили плотности и температуры, (б) поле излучения (из работы Кочиной и Вибе, 2004).

рассчитана химическая эволюция плотного моле-

за исключением H, для которого коэффициент

кулярного облака, параметры которого соответ-

рассчитывается отдельно, H₂ и He, для которых он

ствуют объекту из работы Кочиной и Вибе (2014) и

принят равным 0. При обсуждении и представле-

типичны для протозвездных ядер (рис. 1). Данному

нии результатов содержания на обоих населениях

распределению соответствуют лучевая концентра-

пыли суммировались.

ция 2 × 10²⁴ см-2 и масса M = 500 M_⊙.

В работе использована база химических реак-

Моделирование дейтерированных соединений

ций из работ Альбертссона и др. (2013, 2014). Сле-

имеет долгую историю (см. Браун, Миллар, 1989;

дует отметить, что в ней рассматриваются только

Робертс, Миллар, 2000; Каселли и др., 2002;

дейтерированные изотопологи метанола CH₂DOH,

Робертс и др., 2004; Вилласи, 2007; Конг и др.,

CHD₂OH и CD₃OH, а реакции с изотополо-

2015 и многие другие). В нашей модели оно впер-

гом CH₃OD (с дейтерированным гидроксильным

вые проводится с учетом двух населений пыли —

радикалом) отсутствуют. Из-за немногочисленно-

“крупных” и “мелких” пылинок — путем создания

сти экспериментальных данных для подавляющего

аналогов поверхностных компонентов для каждого

большинства дейтерированных молекул реакции

из них. Физические параметры компонентов пы-

добавлялись в используемую сетку путем клони-

левой среды для различных населений и профили

рования реакций с обычным водородом — с теми

температуры и плотности представлены на рис. 1а.

же скоростями и механизмами. В других астрохи-

Температуры населений пыли рассчитывались при

мических базах данных (Маджумдар и др., 2017)

помощи модели переноса излучения с учетом сто-

изотополог метанола с дейтерированным гидрок-

хастического нагрева пылинок различных размеров

сильным радикалом учитывается, но только в га-

и химических составов (Павлюченков и др., 2012)

зофазных процессах. Включение в модель только

при влиянии внешнего и внутреннего полей излуче-

газофазных реакций с участием этого изотопо-

ния. Температурные профили для данной работы

рассчитаны для внешнего поля с температурой

лога сделало бы его неполноценным участником

химической эволюции, поэтому мы решили воз-

излучения 20 000 К и дилюцией 10-16, что близко к

держаться от рассмотрения CH₃OD (наблюдения

параметрам среднего межзвездного поля. Изнутри

указывают, что его содержание часто существенно

облако подсвечено протозвездой с эффективной

уступает содержанию CH₂DOH, Ратайчак и др.,

температурой 10 000 К и радиусом 10 M_⊙. Темпе-

2011; см., однако, Пенг и др., 2012). Также в модели

ратура газа считается равной температуре крупных

пылинок.

не учитывались орто- и парамодификации водо-

При вычислении оптической экстинкции

рода. Соотношение D/H принято равным 1.5 ×

(рис. 1б) учитывалось, что отношение сечения

× 10-5 (Лински и др., 1995, 2006). Модель вклю-

поглощения пылинки к ее геометрическому сече-

чает в себя 2413 компонентов и 61 935 реакций

нию зависит от размера. Для крупных пылинок

(с учетом поверхностных процессов). Результаты

принято значение 1, для мелких — 0.1. Скорости

расчета химической 1D-структуры объекта позво-

поверхностных реакций, а также скорости адсорб-

ляют получить радиальные профили содержаний и

ции и десорбции рассчитываются индивидуально

лучевые концентрации молекул.

для каждого населения пыли в каждой точке

облака с учетом различия температур пылинок

Для выявления основных факторов, влияющих

и их массовой доли. Коэффициент прилипания

на эволюцию содержаний того или иного компо-

считается одинаковым для обоих населений и

нента, использовался анализатор скоростей реак-

равным 0.3 для всех нейтральных компонентов

ций, описанный в работе Кочиной и Вибе (2014).

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 46

№6

2020

ДЕЙТЕРИРОВАННЫЕ ИЗОТОПОЛОГИ ВОДЫ

407

Вода в газе

Вода на пыли

10¹⁸

10²⁰

H2O

10¹⁷

HDO

D2O

10¹⁹

10¹⁶

10¹⁵

10¹⁸

H2O

10¹⁴

HDO

D2O

10¹⁷

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

Время, лет

Относительное содержание:

вода, газ

вода, пыль

10⁰

10^-1

10^-2

HDO

10^-3

HDO

D2O

-4

10^-3

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

Время, лет

Рис. 2. Изотопологи воды: изменение соотношений и лучевых концентраций в процессе химической эволюции.

РЕЗУЛЬТАТЫ

тельно разнится во времени, отклоняясь от клас-

сического соотношения изотопов то в б ´ольшую,

В рамках работы были рассмотрены две груп-

то в меньшую сторону, в то время как на пыли

пы изотопологов, включающих в себя основные и

оно остается практически неизменным и близким

дейтерированные изотопологи воды (H₂O, HDO и

к отношению D/H, принятому в модели. Первый

D₂O) и метанола (CH₃OH, CH₂DOH, CHD₂OH

дейтерированный пик для полутяжелой воды выра-

и CD₃OH). Обе группы химических компонентов

жен неярко.

демонстрируют интересные особенности. Так, в пе-

риод времени с одной до десяти тысяч лет у боль-

Анализ скоростей химических реакций показы-

шинства исследуемых изотопологов наблюдается

вает, что небольшие пики роста содержания по-

рост содержания, впоследствии сменяющийся па-

лутяжелой воды связаны с колебаниями баланса

дением. Возраст около пяти тысяч лет, на который

между реакциями формирования, прежде всего на

приходится максимальное содержание, в дальней-

поверхности пылинок c последующей реактивной

шем мы будем называть первым дейтерированным

десорбцией продуктов реакции в газовую фазу, и

пиком. Второй и третий дейтерированные пики (ме-

реакциями разрушения, в первую очередь реакци-

нее ярко выраженные максимумы относительного

ями обмена с ионами H⁺³, N₂H⁺, H₂D⁺ и HCO⁺.

газофазного содержания дейтерированных изото-

Интересно наличие пика на кривой отношения со-

пологов) приходятся на химические возрасты 60-

держаний изотопологов для химического возраста

80 тыс. лет и порядка 500 тыс. лет соответственно.

в семьдесят тысяч лет. В этот момент лучевые

концентрации изотопологов разнятся лишь в три

раза. В основном это связано с высоким содержа-

Вода

нием изотопологов во внутренних областях облака

Результаты расчетов для воды представлены на

(см. рис. 3), так как во внешнем и ближайшем к

рис. 2. Отношение изотопологов воды в газе значи- протозвезде регионах молекулы полутяжелой воды

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 46

№6

2020

408

КОЧИНА, ВИБЕ

10⁶

Вода, 40 000 лет

10⁶

Вода, 70 000 лет

10⁶

Вода, 100 000 лет

10⁸

10¹⁰

10¹²

10¹⁴

H2O

10¹⁶

HDO

10¹⁶

HDO

10¹⁶

HDO

D2O

10¹⁸

1014 1015 1016 10¹⁷

1018 10¹⁹

1014 1015 1016 10¹⁷

1018 10¹⁹

1014 1015 1016 10¹⁷

1018 10¹⁹

Расстояние, см

Рис. 3. Радиальные распределения изотопологов воды: второй дейтерированный пик.

эффективно разрушаются излучением. Во внутрен-

облака (рис. 3). Основные реакции разрушения

нем регионе содержание изотопологов различается

газофазной молекулы — адсорбция на пылинки и

лишь на 10%. Сам пик вызван ростом относи-

реакция с ионом N₂H⁺, содержание которого за-

тельного содержания молекул полутяжелой воды

метно ниже, чем иона H⁺³, разрушающего основной

в регионах, прилегающих к внешнему, где домини-

и однократно дейтерированный изотопологи (для

рующая реакция разрушения ионом H⁺³ основного

двукратно дейтерированного изотополога реакции

изотополога H₂O оказывается более эффективной,

с H⁺³ в списке доминирующих реакций нет). Реак-

чем аналогичная реакция для HDO, что вызвано

ции же образования на пыли с последующей де-

общим уменьшением содержания иона и возникно-

сорбцией в газовую фазу идут заметно интенсивнее

вением конкуренции основного и дейтерированного

реакций разрушения, что объясняет постепенный

изотополога за ставший редким ион.

рост содержания тяжелой воды на пыли и выра-

Дважды дейтерированный изотополог, тяжелая

женный второй пик содержания в газе, приходя-

вода D₂O, проявляет еще б ´ольшие колебания в

щийся на шестьдесят тысяч лет.

содержаниях как в газовой фазе, так и на пылин-

Особенности поведения содержания изотопо-

ках. Содержание D₂O изменяется скачкообразно,

логов на пыли на поздних стадиях эволюции объяс-

первый дейтерированный пик выражен очень чет-

няются изменением баланса реакций разрушения

ко. Отношение содержания тяжелой воды в газе к

и образования во внешних областях. Основными

содержанию основного изотополога достигает 0.24,

каналами разрушения остаются десорбция и ре-

превосходя даже содержание полутяжелой воды

акции фотодиссоциации на пылинках, в то время

HDO. Связано это с более продуктивной реакцией

как реакции образования идут гораздо более про-

образования молекулы на пыли с последующей де-

дуктивно. Общий рост содержания на пылинках

сорбцией в газовую фазу: D_G2 + D₂O_2G2 → D₂O +

простых компонентов, в реакции друг с другом

+ OD. Соответствующая реакция для HDO (H_G2 +

приводящим к образованию H₂O и HDO, приводит

+ D₂O_2G2 → HDO + OD), также являющаяся ос-

к росту содержания этих компонентов на пыли. Для

новным каналом, идет медленнее, так как требует

H₂O эффективным каналом образования также

участия атома водорода, содержание которого на

являются поверхностные реакции фотодиссоциа-

пыли на ранних этапах химической эволюции го-

ции этанола и его дейтерированных изотопологов.

раздо меньше, чем содержание атомарного дейте-

Соответствующие реакции образования D₂O идут

рия. Связано это с менее эффективной десорбцией

медленнее, так как вовлекают только реактанты,

атомарного дейтерия с пылинок на ранних стади-

содержащие менее обильный атом дейтерия, что и

ях химической эволюции: лучевые концентрации

объясняет отсутствие скачка содержания молекул

дейтерия на пылинках в первые десять тысяч лет

тяжелой воды на пыли на поздних этапах химиче-

значительно превышают лучевые концентрации во-

ской эволюции. Для HDO эти реакции доминиру-

дорода (см. также Робертс и др., 2003; Липштат и

ющими не являются.

др., 2004).

После ранних этапов химической эволюции со-

Метанол

держание свободного атомарного дейтерия на пы-

линках начинает падать (в результате связывания

Отношения лучевых концентраций изотополо-

в молекулах), а водорода — возрастать (в силу

гов метанола приведены на рис. 4. Интересно, что

его постепенного накопления на поверхности), что

лучевые концентрации однократно дейтерирован-

приводит к падению содержания D₂O в газе. Вто-

ного метанола CH₂DOH превосходят либо рав-

рой дейтерированный пик, соответствующий ше-

няются лучевым концентрациям основного изото-

стидесяти тысячам лет, также связан с накопле-

полога CH₃OH в течение практически всего рас-

нием молекул тяжелой воды во внешних областях

четного времени химической эволюции. Особен-

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 46

№6

2020

ДЕЙТЕРИРОВАННЫЕ ИЗОТОПОЛОГИ ВОДЫ

409

Метанол в газе

Метанол на пыли

10¹⁶

10¹⁹

СH3OH

СH2DOH

10¹⁵

СHD2OH

10¹⁸

СH3OH

СH2DOH

СD3OH

СHD2OH

10¹⁴

10¹⁷

СD3OH

10¹³

10¹⁶

10¹²

10¹⁵

10¹¹

10¹⁴

10¹⁰

10¹³

10¹²

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

Время, лет

Относительное содержание:

метанол, газ

метанол, пыль

10¹

10⁰

10¹

10²

СH2DOH

СHD2OH

10³

СD3OH

10⁴

СH2DOH

10⁴

10⁵

СHD2OH

СD3OH

10⁶

10⁵

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

Время, лет

Рис. 4. Изотопологи метанола: изменение соотношений и лучевых концентраций в процессе химической эволюции.

но интересен химический возраст, соответствую-

в регионах значительного количества CH₂DOH.

щий первому дейтерированному пику, для которо-

Аналогичная реакция с атомом водорода идет ме-

го газофазное содержание CH₂DOH превосходит

нее эффективно, чем реакция с дейтерированным

CH₃OH в семь раз. Результат кажется парадок-

изотопологом, хотя и является доминирующей. По-

сальным, если принять во внимание относительное

следующее падение содержания CH₂DOH связано

содержание дейтерия, однако он не противоречит

с исчерпанием свободных атомов дейтерия на пыли

наблюдениям. Так, подобное соотношение изото-

и соответственно падением эффективности основ-

пологов было описано в литературе для прото-

ного канала образования.

звездных объектов L1448N, L1448mm и L1157mm

Не менее примечательно и общее падение от-

(Паризе и др., 2006). Верхняя граница отноше-

ношения содержаний как в газе, так и на пыли

ния CH₂DOH/CH₃OH, определенная Паризе и

после ста тысяч лет химической эволюции. Оно вы-

др. (2006) для указанных объектов, равна ≤1.8,

звано более медленным темпом роста содержания

≤7.1 и ≤5.4 соответственно. Как и в случае с

CH₂DOH по сравнению с CH₃OH. Изначально

тяжелой водой, различие оказалось существенным

начавшееся в газе падение содержания молекулы

за счет более эффективного формирования моле-

CH₂OH, вызванное начавшейся активной адсорб-

кул дейтерированного изотополога по сравнению с

цией, привело к резкому росту ее содержания на

основным изотопологом в двух внутренних регио-

пыли. Реакция соединения с ней является основ-

нах. На этапе эволюции предшествующему пику в

ным каналом формирования молекул CH₃OH и

этих регионах наблюдалось интенсивное формиро-

CH₂DOH на пыли, однако для CH₃OH она идет

вание молекулы CH₂DOH на пылинках в процессе

более эффективно, превосходя по эффективности

реакции соединения атома дейтерия с молекулой

реакцию десорбции, уменьшающую содержание

CH₂OH с последующей десорбцией продукта ре-

молекулы на пылинках. Так как молекулы изотопо-

акции в газовую фазу, что привело к накоплению

логов метанола формируются в основном на пыли,

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 46

№6

2020

410

КОЧИНА, ВИБЕ

10¹⁰

Метанол, 40 000 лет

10¹⁰

Метанол, 70 000 лет

10¹⁰

Метанол, 100 000 лет

10¹⁵

10²⁰

СH3OH

10²⁵

СH2DOH

10²⁵

СH2DOH

10²⁵

СH2DOH

СHD2OH

СD3OH

10³⁰

1014 1015 1016 10¹⁷

1018 10¹⁹

1014 1015 1016 10¹⁷

1018 10¹⁹

1014 1015 1016 10¹⁷ 10¹⁸ 10¹⁹

Расстояние, см

Рис. 5. Радиальные распределения изотопологов метанола: второй дейтерированный пик.

следует пропорциональный отклик в газовой фазе.

практически полное отсутствие третьего. Относи-

Однако в случае газофазной молекулы CH₂DOH

тельное содержание компонента в газовой фазе во

более резкое падение лучевой концентрации на

время первого дейтерированного пика возрастает

поздних временах связано со все возрастающей

на два порядка, однако даже в этом случае не

эффективностью реакции с ионом H⁺³, разрушаю-

достигает ожидаемого. Возрастание содержания

к первому дейтерированному пику происходит в

щей молекулу.

основном за счет процессов в срединном регионе,

Многократно дейтерированные изотопологи ме-

ближайшем к внешнему краю облака. Здесь, кроме

танола в целом повторяют эволюцию однократ-

основного канала образования молекулы CD₃OH

но дейтерированного компонента — скачкообраз-

на пылинках D_G + CD₂OH_G → CD₃OH, весьма

ное изменение относительного содержания в га-

эффективной является реакция диссоциативной

зе и практически неизменное на пыли. Однако

рекомбинации иона CD₃OH⁺² с электроном или

содержания CHD₂OH на пыли тяготеют к со-

пылинками, в результате которой ион теряет заряд

отношению 1 к 100. В газовой фазе компонент

и распадается на нейтральные компоненты CD₃OH

также демонстрирует завышенное относительное

и H. На ранних этапах содержание иона значитель-

содержание, достигающее 0.16 для второго дей-

ное, однако впоследствии начинает падать, а с ним

терированного пика, соответствующего в случае

и эффективность реакций. На их место выходят

CHD₂OH восьмидесяти тысячам лет химической

поверхностные реакции CHD_2G с гидроксильными

эволюции. Возрастание до данного значения с от-

радикалами OH_G и OD_G. Второй дейтерированный

носительного содержания 0.001, соответствующе-

пик приходится на химический возраст пятьдесят

го химическому возрасту десять тысяч лет, весьма

тысяч лет. Повышение содержания трижды дей-

примечательно. Реализуется это благодаря росту

терированного метанола происходит в двух обла-

содержания во внутренних областях (рис. 5), в

стях: в еще более близкой к внешнему краю и

которых из-за экранирования излучения внешними

во внутренней, близкой к внутреннему источнику.

слоями (преимущественно за счет столкновитель-

Если раньше в этих областях преобладающими

ных реакций с пылинками) относительно невысоко

реакциями образования газофазного изотополога

содержание ионов DCO⁺, HCO⁺ и H⁺³ — основ-

были уже упомянутые диссоциативной рекомбина-

ных разрушителей молекулы CHD₂OH. Однако

ции с ионами CD₃OH⁺² и H₂D₃C₂O⁺², то после

постепенно содержание иона H⁺³ начинает расти,

25 тысяч лет химической эволюции основным ка-

и, как и в случае с CH₂DOH, этого оказывается

налом становится реакция образования на пыли,

достаточно, чтобы в регионе облака, в котором

что приводит к доминированию образования над

преобладают реакции разрушения с этим ионом,

разрушением и накоплению молекулы в регионе.

содержание начало постепенно спадать, образуя

Третий дейтерированный пик объясняется возник-

очередной минимум. Пик содержания на позд-

новением новых каналов образования: реакцией

них временах связан с появлением в небольшом

диссоциативной рекомбинации с мелкими пылин-

внутреннем регионе новой реакции образования

ками экзотических ионов H₂D₃C₂O⁺² и HD₄C₂O⁺².

H₃D₂C₂O⁺² + GRAIN₂ → CHD₂OH + HCO, пре-

Содержание же трехкратно дейтерированного ме-

восходящей по эффективности реакции разруше-

танола на пыли остается практически неизменным

в процессе всей химической эволюции и примерно

ния с уже упомянутым ионом H⁺³.

равно 2.5 × 10¹² см-2, возрастая только на поздних

Эволюция содержания трехкратно дейтериро-

этапах эволюции после ста тысяч лет. Как и в

ванного метанола CD₃OH также интересна. Гра-

случае с однократно дейтерированным метанолом,

фик газофазного содержания молекулы демон-

связано это со все возрастающей адсорбцией ком-

стрирует яркий первый дейтерированный пик и

понента на пылинки и его аккумуляцией там.

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 46

2020

№6

ДЕЙТЕРИРОВАННЫЕ ИЗОТОПОЛОГИ ВОДЫ

411

Вода, крупная пыль

Вода, мелкая пыль

10¹⁹

10²⁰

H2O

HDO

10¹⁸

HDOG001

D2O

10¹⁹

10¹⁷

10¹⁸

10¹⁶

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

Время, лет

Относительное содержание:

вода, крупная пыль

вода, мелкая пыль

10⁰

10^-1

10^-2

HDO

D2O

-3

10^-3

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

Время, лет

Рис. 6. Вода, распределение на пылинках различных населений: изменение соотношений и лучевых концентраций в

процессе химической эволюции.

Особенности распределения изотопологов по

правило, его содержание относительно обычного

пылинкам различных населений в рамках рабо-

метанола составляет примерно несколько процен-

ты детально не рассматривались. Распределения

тов (Оспина-Замудио и др., 2019; Таке и др., 2019).

представлены на рис. 6 и 7.

Однако в некоторых случаях (Паризе и др., 2002,

2006) содержание CH₂DOH может оказаться со-

поставимым с содержанием основного изотополога

ОБСУЖДЕНИЕ И ВЫВОДЫ

или даже превысить его. Именно такое поведение

Хорошо известно, что в дозвездных и про-

демонстрируют наши модели на ранних эволюци-

тозвездных объектах относительные содержания

онных этапах (до ∼10⁵ лет), после чего содержание

дейтерированных изотопологов сильно отличаются

CH₂DOH снижается до 20-30%. Если говорить

от общего содержания дейтерия относительно во-

о пространственном распределении, то повышен-

дорода. Если суммарное отношение D/H состав-

ное содержание CH₂DOH наблюдается ближе к

ляет примерно 10-5, то для отдельных молекул

центральной части облака (рис. 5). Содержание

наблюдаемые отношения содержаний дейтериро-

CHD₂OH в наших расчетах достигает 10%, что

ванного аналога к “нормальной” молекуле могут

несколько уступает результатам наблюдений (Па-

составлять от долей процента до десятков процен-

тов (Шах, Вуутен, 2001; Руефф и др., 2005; Сакаи

ризе и др., 2006; до 25%) и превосходит результаты

и др., 2012).

Оспина-Замудио и др. (2019) (меньше 1%), однако

Наблюдения дейтерированного метанола в об-

нужно помнить, что неопределенность наблюда-

ластях звездообразования насчитывают уже не од-

тельных данных очень высока. Содержание трех-

но десятилетие (Мауэрсбергер и др., 1988), и, как

кратно дейтерированного метанола, предсказыва-

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 46

№6

2020

412

КОЧИНА, ВИБЕ

Метанол, крупная пыль

Метанол, мелкая пыль

10¹⁸

10²⁰

СH3OH

10¹⁷

10¹⁹

СH3OH

СH2DOH

СHD2OH

10¹⁶

10¹⁸

СHD2OH

СD3OH

10¹⁵

10¹⁷

10¹⁴

10¹⁶

10¹³

10¹⁵

10¹²

10¹⁴

10¹¹

10¹³

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

Время, лет

Относительное содержание:

метанол, крупная пыль

метанол, мелкая пыль

10¹

10⁰

10¹

10²

СH2DOH

10²

СH2DOH

СHD2OH

СD3OH

10³

10⁴

10⁵

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

10²

10³

10⁴

10⁵

10⁶

Время, лет

Рис. 7. Метанол, распределение на пылинках различных населений: изменение соотношений и лучевых концентраций в

процессе химической эволюции.

емое нашей моделью, оказывается существенно

только для внешних регионов облака, где скорости

ниже наблюдаемого (Паризе и др., 2004).

реакций образования, относящиеся к газовой фазе,

Содержание полутяжелой воды остается со вре-

превышают скорость десорбции с пыли на два по-

менем практически постоянным и составляет при-

рядка. Основными газофазными реакциями в этом

мерно 10% от содержания обычной воды. Это

случае являются H + OD → HDO и D + OH →

несколько выше, чем дают наблюдения (до 5.8%,

→ HDO для полутяжелой воды, и D + OD → D₂O

Кутенс и др., 2012), однако с учетом различных

и реакции диссоциативной рекомбинации HD₂O⁺

неопределенностей представляется приемлемым.

на электронах и отрицательно заряженных пылин-

Реакции дейтерирования идут преимущественно

ках для тяжелой воды.

на пыли, так как содержание свободных атомов

В целом наше исследование показало, что эво-

дейтерия на поверхности мелких пылинок превос-

люция содержаний дейтерированных воды и ме-

ходит содержание атомов водорода на протяжении

танола отличается от эволюции содержаний ос-

всего периода химической эволюции. На крупной

новных изотопологов, а соотношение содержаний

пыли содержание D постепенно исчерпывается, и

изотопологов на каждом из шагов отличается от

содержание дейтерия становится ниже содержания

глобального изотопного отношения. Исследование

водорода. Однако даже такой спад не приводит к

будет продолжено и расширено включением других

доминированию газофазных процессов в объекте.

астробиологически важных компонентов. Иссле-

Вклад газофазных реакций в дейтерирование и в

дование чувствительности к физическим условиям,

целом в процесс образования исследуемых моле-

таким как температура и плотность, также сможет

кул пренебрежительно мал для метанола и доста-

выявить дополнительные факторы, ответственные

точно невелик для воды, являясь существенным

за различия, и позволит использовать полученные

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 46

№6

2020

ДЕЙТЕРИРОВАННЫЕ ИЗОТОПОЛОГИ ВОДЫ

413

из наблюдений сведения о соотношении содержа-

13.

Кочина, Вибе (O.V. Kochina and D.S. Wiebe),

ний изотопологов в качестве инструмента диагно-

Astron. Rep. 61, 103 (2017).

стики.

14.

Кутенс и др. (A. Coutens, C. Vastel, E. Caux,

C. Ceccarelli, S. Bottinelli, L. Wiesenfeld, A. Faure,

Полученные результаты демонстрируют каче-

Y. Scribano, and C. Kahane), Astron. Astrophys. 539,

ственное согласие с результатами некоторых на-

A132 (2012).

блюдений или, по крайней мере, не противоречат

15.

Лински и др. (J.L. Linsky, A. Diplas, B.E. Wood,

им. Однако во всех случаях речь идет о сравнении

A. Brown, Th.R. Ayres, and B.D. Savage), Astrophys.

с выведенными из наблюдений лучевыми концен-

J. 451, 335 (1995).

трациями. К сожалению, в данный момент затруд-

16.

Лински и др. (J.L. Linsky, B.T. Draine, H.W. Moos,

нительно сопоставить наши результаты непосред-

E.B. Jenkins, B.E. Wood, C. Oliveira, W.P. Blair,

ственно с имеющимися спектрами, так как необ-

S.D. Friedman, et al.), Astrophys. J. 647,

1106

ходимые данные для моделирования синтетических

(2006).

спектров дейтерированных соединений существуют

17.

Липштат и др. (A. Lipshtat, O. Biham, and

только для полутяжелой воды HDO, а для тяжелой

E. Herbst), MNRAS 348, 1055 (2004).

воды D₂O и метанола отсутствуют. Однако техни-

18.

Маджумдар и др. (L. Majumdar, P. Gratier,

чески такое сопоставление возможно при помощи

M. Ruaud, V. Wakelam, C. Vastel, O. Sipil ¨a,

разрабатываемого нами пакета PRESTALINE и

F. Hersant, A. Dutrey, and S. Guilloteau), MNRAS

будет проведено, как только сведения, необходи-

466, 4470 (2017).

мые для расчетов синтетических спектров, появят-

19.

Мауэрсбергер и др. (R. Mauersberger, C. Henkel,

ся в базах данных, таких как LAMDA.

T. Jacq, and C.M. Walmsley), Astron. Astrophys. 194,

L1 (1988).

Авторы благодарны анонимному рецензенту за

20.

Мурга и др. (M.S. Murga, D.S. Wiebe,

замечания и комментарии, которые помогли улуч-

A.I. Vasyunin, V.N. Varakin, and A.V. Stolyarov),

шить качество представления материала.

Russian Chemical Reviews 89, 430 (2020).

21.

Оба и др. (Y. Oba, Y. Takano, N. Watanabe, and

A. Kouchi), Astrophys. J. Lett. 827, L18 (2016).

22.

Оспина-Замудио и др. (J. Ospina-Zamudio,

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

C. Favre, M. Kounkel, L.H. Xu, J. Neill, B. Lefloch,

A. Faure, E. Bergin, et al.), Astron. Astrophys. 627,

1. Альберттсон и др. (T. Albertsson, D. Semenov, and

A80 (2019).

T. Henning), Astrophys. J. 784, 39 (2014).

23.

Павлюченков и др. (Y.N. Pavlyuchenkov,

2. Альберттсон и др. (T. Albertsson, D.A. Semenov,

D.S. Wiebe, V.V. Akimkin, M.S. Khramtsova,

A.I. Vasyunin, Th. Henning, and E. Herbst),

and T. Henning), MNRAS 421, 2430 (2012).

Astrophys. J. Suppl. Ser. 207, 27 (2013).

3. Бокеле-Морван и др. (D. Bockel ´ee-Morvan,

24.

Паризе и др. (B. Parise, C. Ceccarelli,

D. Gautier, D.C. Lis, K. Young, J. Keene, T. Phillips,

A.G.G.M. Tielens, A. Castets, E. Caux, B. Lefloch,

T. Owen, J. Crovisier, et al.), Icarus 133, 147 (1998).

and S. Maret), Astron. Astrophys. 453, 949 (2006).

4. Браун, Миллар (P.D. Brown and T.J. Millar),

25.

Паризе и др. (B. Parise, A. Castets, E. Herbst,

MNRAS 237, 661 (1989).

E. Caux, C. Ceccarelli, I. Mukhopadhyay, and

5. Варакин, Мурга (V.N. Varakin and M.S. Murga),

A.G.G.M. Tielens), Astron. Astrophys. 416,

159

Astron. Rep. 64, 319 (2020).

(2004).

6. Вилласи (K. Willacy), Astrophys. J. 660, 441 (2007).

26.

Паризе и др. (B. Parise, C. Ceccarelli,

7. Каселли и др. (P. Caselli, T. Stantcheva,

A.G.G.M. Tielens, E. Herbst, B. Lefloch, E. Caux,

O. Shalabiea, V.I. Shematovich, and E. Herbst),

A. Castets, I. Mukhopadhyay, et al.), Astron.

Plan. Space Sci. 50, 1257 (2002).

Astrophys. 393, L49 (2002).

8. Кларк и др. (R.N. Clark, R.H. Brown,

27.

Пенг и др. (T.C. Peng, D. Despois, N. Brouillet,

D.P. Cruikshank, and G.A. Swayze), Icarus 321, 791

B. Parise, and A. Baudry), Astron. Astrophys. 543,

(2019).

A152 (2012).

9. Конг и др. (Sh. Kong, P. Caselli, J.C. Tan,

28.

Ратайчак и др. (A. Ratajczak, V. Taquet, C. Kahane,

V. Wakelam, and O. Sipil ¨a), Astrophys. J. 804, 98

C. Ceccarelli, A. Faure, and E. Quirico), Astron.

(2015).

Astrophys. 528, L13 (2011).

10. Кочина и др. (O.V. Kochina, D.S. Wiebe,

29.

Робертс и др. (H. Roberts, E. Herbst,and T.J.Millar),

S.V. Kalenskii, and A.I. Vasyunin), Astron. Rep.

Astrophys. J. Lett. 591, L41 (2003).

57, 818 (2013).

11. Кочина, Вибе (O.V. Kochina and D.S. Wiebe),

30.

Робертс и др. (H. Roberts, E. Herbst,and T.J.Millar),

Astron. Rep. 58, 228 (2014a).

Astron. Astrophys. 424, 905 (2004).

12. Кочина, Вибе (O. Kochina and D. Wiebe), Origins of

31.

Робертс, Миллар (H. Roberts and T.J. Millar),

Life and Evolution of the Biosphere 44, 169 (2014b).

Astron. Astrophys. 361, 388 (2000).

ПИСЬМА В АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ том 46

№6

2020