Развитие теории численного моделирования молекулярного состава межзвездной среды тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

На правах рукописи

□□34617Э4

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО СОСТАВА МЕЖЗВЕЗДНОЙ СРЕДЫ

Специальность 01.03.02 — астрофизика и радиоастрономия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2008

003461794

Работа выполнена в Уральском Государственном университете имени А.М. Горького.

Научный руководитель:

кандидат физ.-мат. наук Андрей Михайлович Соболев

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук Николай Геннадьевич Бочкарёв кандидат физ.-мат. наук Сергей Владимирович Каленский

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)

заседании Диссертационного совета Д002.023.01 Физического института им. П.Н. Лебедева РАН по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Автореферат разослан "30

Ученый секретарь диссертационного совета

Защита состоится " " М*ЧРТА 2009 г. в часов на

д.ф.-м.н.

Актуальность темы

Химические процессы в межзвездной среде являются объектом пристального внимания астрофизиков уже более тридцати лет. Неослабевающий интерес к ним обусловлен, в частности, тем, что многие важнейшие процессы звездообразования и формирования планентных систем доступны для исследования только посредством наблюдений радиолиний молекул, так как зоны звездообразования, как правило, непрозрачны для оптического излучения из-за большого количества пыли в них. Даже сейчас, когда благодаря космическим методам астрономам стали доступны для наблюдений все длины волн, радиоастрономические наблюдения не потеряли своей актуальности.

Поскольку водород и гелий, на долю которых приходится около 99 % массы комплексов звездообразования, не имеют вращательных переходов, их наблюдения в радиодиапазоне невозможны. В этой ситуации информация о процессах, протекающих в областях звездообразования получается из наблюдений менее обильных молекул, которых к настоящему времени открыто порядка 140. Интерпретация наблюдений требует построения моделей химической эволюции межзвездной среды (МЗС), включающих такие процессы, как химию в газовой фазе, процессы газопылевого взаимодействия и химические реакции на поверхности пылевых частиц. Последние могут играть определяющую роль в химии ряда наблюдаемых молекул, таких, как СО, NH3, НгСО.

Развитие техники наблюдений, качественное повышение чувствительности, спектрального и углового разрешения, ожидающееся в ближайшее десятилетие благодаря вводу в строй инструментов нового поколения, таких, как ALMA, Herschel, eVLA, SOFIA, в ближайшем будущем потребуют построения нового поколения астрохимических моделей. Наряду с реалистичным детальным описанием физики МЗС, важное значение будет иметь математически корректное описание собственно химических процессов, как известно,

з

имеющих стохастическую природу [1]. Кроме этого, при интерпретации результатов высокоточных наблюдений, становится важной оценка точности результатов химического моделирования, неопределенности в которые, в частности, вносят такие сугубо химические факторы, как ошибки определения констант скоростей химических реакций.

Таким образом, требования к улучшению качества астрохимических моделей диктуются возрастающими возможностями инструментария наблюдателей, появлением возможности детального изучения не только протозвездных облаков, но также имеющих малый угловой размер протопланетных дисков. Оценка точности астрохимического моделирования, а также введение в астрохимические модели корректного описания стохастической природы химических процессов — первые шаги на пути создания моделей нового поколения.

Цель работы

Улучшение качества астрохимических моделей путем разработки и внедрения в модели корректного стохастического описания химических процессов на поверхности межзвездных пылевых частиц, а также исследование и оценка возможностей уменьшения неточностей результатов моделирования, обусловленных погрешностями в скоростях химических реакций.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Оценка влияния неточностей констант скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования темных и диффузных облаков, а также протопланетных дисков.

Впервые выполнено исследование влияния неопределенностей констант скоростей химических реакций на достоверность газофазных моделей химической

4

эволюции различных астрофизических объектов — темного и диффузного облаков, а также протопланетного диска вокруг маломассивной звезды типа Т Тельца. Выявлена зависимость неопределенности модельного обилия молекулы от числа атомов в ней: она тем значительнее, чем больше атомов в молекуле. Показано, что моделирование химических процессов в молекулярных облаках с использованием баз UMIST 95 и RATE06 не приводит к величинам неопределенности в теоретических обилиях простых молекул, превышающим наблюдательные ошибки. Обнаружено, что лучевые концентрации некоторых молекул в диске менее подвержены влиянию ошибок скоростей химических реакций (СО, С+, HJ, Н2О, NH3, N2H+, HCNH+), что делает их вероятными кандидатами на роль индикаторов физических условий в протопланетных дисках.

2. Отождествление группы химических реакций, вносящих наибольший вклад в неточности модельных обилий химических соединений.

Предложен корреляционный метод поиска химических реакций, значение скорости которых наиболее сильно влияет на модельное обилие заданного соединения. С помощью предложенного метода выделена небольшая группа реакций (56 или 1 % от общего числа включенных в модель), вносящая наибольший вклад в неопределенности модельных обилий молекул в облаках и диске. Данные реакции предлагаются для дальнейшего лабораторного изучения.

3. Развитие стохастической модели химической эволюции газопылевой химически реагирующей системы, применимая к моделированию широкого спектра астрофизических объектов.

Впервые построена стохастическая модель химической эволюции межзвездной среды, в которой химические процессы в газовой фазе и на поверхности пылевых

5

частиц моделируются в рамках единого метода Монте Карло. Использованный метод позволил включить в стохастическую химическую модель большое количество молекул (600) и реакций между ними (более 6000). Благодаря этому стало возможным исследование границ применимости методов балансных уравнений и модифицированных балансных уравнений для моделирования различных астрофизических объектов.

Научная новизна

В диссертации впервые исследовано влияние неопределенностей констант скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования протозвездных облаков и протопланетных дисков. Выявлена зависимость величины дисперсии модельных обилий молекул от количества входящих в них атомов. Показано, что для большинства наблюдаемых молекул величина ошибки модельных обилий соответствует точности наблюдательных данных. Для протопланетных дисков выделен ряд соединений, чьи модельные обилия в меньшей степени подвержены влиянию неопределенностей в скоростях реакций, что делает их хорошими кандидатами на роль зондов физических условий в дисках.

Показано, что основной вклад в неопределенности модельных обилий молекул вносит небольшая группа химических реакций (менее 1 % от общего количества включенных в модель).

Впервые построена стохастическая модель химической эволюции межзвездной среды, в которой химические процессы в газовой фазе и на поверхности пылевых частиц моделируются в рамках единого метода Монте Карло. Использованный подход впервые позволил включить в стохастическую химическую модель большое количество молекул (600) и реакций между ними (более 6000). Благодаря этому стало возможным исследование границ применимости

методов балансных уравнений и модифицированных балансных уравнений для моделирования различных астрофизических объектов, также впервые выполненное в этой работе.

Научная и практическая ценность

Оценки неточностей модельных обилий химических соединений, полученные в этой работе, могут найти широкое применение при сравнении данных, полученных при наблюдениях линий молекул, с результатами теоретических исследований. Группа химических реакций, вносящих наибольший вклад в неточности модельных обилий молекул, может быть рекомендована для особенно внимательного изучения исследователями, выполняющими лабораторные измерения скоростей химических процессов.

Стохастическая модель химической эволюции межзвездной среды необходима для исследований межзвездных облаков и протопланетных дисков, а также интерпретации наблюдательных данных по химическому составу вещества этих объектов. Помимо этого, с помощью построенной модели возможно проведение исследований стохастических эффектов в астрохимических системах, примером которых является бистабильность. Описание химических процессов на поверхности пылевых частиц в рамках модели может быть детализировано, что позволит использовать ее при подробном изучении структуры и состава мантий межзвездных и межпланетных пылевых частиц.

Личный вклад автора в совместные работы

В работах, выполненных в соавторстве, автор диссертации:

1. предложил и реализовал проведение оценок влияния неточностей скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования;

2. разработал стохастическую модель химической эволюции межзвездной среды;

3. реализовал программный код, впервые позволяющий проводить самосогласованный расчет как газофазной, так и поверхностной химии методом Монте Карло с использованием сетки газофазных и поверхностных реакций, содержащих описания реалистично большого числа химических соединений и процессов между ними;

4. провел исследование границ применимости методов Балансных уравнений и Модифицированных балансных уравнений для моделирования химической эволюции межзвездной среды;

5. выполнил все численные расчеты химических процессов в межзвездной среде с использованием как детерминистических, так и стохастических методов;

6. принимал активное участие в постановке задач, обсуждении и интерпретации результатов и написании статей.

Апробация

Результаты работы были представлены на всероссийских и международных конференциях, а также семинарах кафедры астрономии и геодезии Уральского' Государственного университета им. A.M. Горького и Института астрономии общества Макса Планка (Хайдельберг, Германия):

1. на XXXII, XXXIV, XXXV и XXXVII Зимних студенческих конференциях «Физика Космоса», проходивших в Астрономической обсерватории УрГУ в 2004, 2005, 2006 и 2008 гг.;

2. на 11 и 12 Всероссийских конференциях студентов-физиков, проходивших в Екатеринбурге (2005) и Новосибирске (2006);

3. на 4 международном симпозиуме The Dense Interstellar Médium in Galaxies (4th Cologne-Bonn-Zermatt-Symposium), проходившем в г. Церматт (Швейцария, 2003);

4. на совещании «Звездообразование в Галактике и за ее пределами», проходившем в Институте астрономии РАН (Москва) в 2006 году;

5. на международном симпозиуме «Complex molecules in Space: Present status and prospects with ALMA>, проходившем в г. Fuglsocentret (Дания) в 2006 году;

6. на международной конференции «Science with ALMA: a new era for Astrophysics», проходившей в Мадриде (Испания) в 2006 г.;

7. на международной конференции «Molecules in Space and Laboratory», проходившей в Париже (Франция) в 2007 году;

8. на семинарах Института астрономии общества Макса Планка в г. Гейдельберге (Германия) в 2006 и 2008 годах.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 9 таблиц на 9 страницах, 24 рисунка на 24 страницах, библиографию из 160 наименований на 18 страницах. Общий объем - 161 страница.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Васюнин А. И., Соболев А. М., Вибе Д. 3., Семенов Д. А. О влиянии неточностей скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования // Письма в Астрон. журн. - 2004. - Т. 30, № 8. - С. 623-634.

9

2. Vasyunin A. I., Semenov D. A., Henning Т., Wakelam V., Herbst E., Sobolev A. M. Chemistry in disks: a sensitivity analysis // Astrophys. J. - 2008. - Vol. 672. - P. 629-641.

3. Васюнин А. И. Моделирование химии на поверхности пылевых частиц: нужен ли учет стохастических эффектов? // Физика космоса. — Труды 37-й международ, студ. науч. конф., Екатеринбург, 28 янв.-1 февр. 2008 г.— Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2008,— С. 254. Эта публикация содержит основные результаты. Более подробное изложение содержится в статье Vasyunin А. I., Semenov D. A., Wiebe D. S., Henning Th. <А Unified Monte Carlo Treatment of Gas-Grain Chemistry for Large Reaction Networks. I. Testing Validity of Rate Equations in Molecular Clouds» принятой к печати в Astrophysical Journal (13 стр., astro-ph/0810.1591).

4. Vasyunin A. I., Semenov D. A., Henning Т., Wakelam V., Herbst E., Sobolev A. M. Chemistry in protoplanetary disks: analysis of uncertainties // Molecules in Space and Laboratory. — Proc. meet., Paris, France, May 14-18, 2007. Editors: J.L. Lemaire, F. Combes. - 2007. - Publisher: S. Diana. - P. 112.

5. Vasyunin A. /., Semenov D. A., Sobolev A. M., Henning T. Reliability of disk chemical modelling // Science with ALMA: a new era for astrophysics.— Proc. Internat. conf., Madrid, Spain, Nov. 13-17, 2006. - P. 88.

6. Vasyunin A. I., Semenov D. A., Sobolev A. M., Henning T. Reliability of disk chemical modelling // Complex molecules in Space: Present status and prospects with ALMA. — Proc. symp., Fuglsocentret, Denmark, May 8-11, 2006. - P. 68.

7. Васюнин А. И. Стохастическое моделирование химической эволюции МЗС с учетом газопылевого взаимодействия // Звездообразование в Галактике и за ее пределами / Ред. Д. 3. Вибе, М. С. Кирсанова, — Сб. трудов конф., Москва, 17-18 апр. 2006 г. - М.: Янус-К, 2006.- С. 119-125.

10

8. Васюнип А. И., Соболев А. М. Стохастическое моделирование химической эволюции МЗС с учетом газопылевого взаимодействия // Физика космоса. — Труды 35-й международ, студ. науч. конф., Екатеринбург, 31 янв.-5 февр. 2006 г. — Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2006. - С. 242.

9. Васюнин А. И., Шематович В. И. Стохастические методы моделирования химии межзвездной среды // Физика космоса,— Труды 34-й международ, студ. науч. конф., Екатеринбург, 31 янв.-4 февр. 2005 г. — Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2005. - С. 246.

10. Васюнин А. И., Семенов Д. А., Соболев А. М., Henning Т. О точности астрохимического моделирования околозвездных дисков // Физика космоса.— Труды 34-й международ, студ. науч. конф., Екатеринбург, 31 янв.-4 февр. 2005 г.— Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2005. — С. 247.

11. Васюнин А. И., Соболев А. М., Вибе Д. 3., Семенов Д. А. О влиянии неточностей скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования // Физика космоса.— Труды 33-й международ, студ. науч. конф., Екатеринбург, 2-6 февр. 2004 г.— Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2004. - С. 239.

12. SoboleV А. М., Vasyunin A. I. Quantification of uncertainties in the model interstellar chemical abundances arising frorti inaccuracies in reaction rates // The dense interstellar medium in galaxies. Abstract book. — 4th Cologne-Bonn-Zermatt-Symp., Zermatt, Switzerland, Sept. 22-26, 2003. - P. 282.

Краткое содержание диссертации

Во введении обосновывается актуальность и формируются

основные цели исследований, проведенных в диссертации.

Глава I диссертации содержит обзор современных

представлений об образовании звезд малой массы и роли

химических процессов в межзвездной среде (МЗС) в ходе этого процесса и его исследовании. Согласно [2], процесс образования звезд малых масс и планетных систем вокруг них может быть разделен на 5 основных этапов. На первом этапе происходит фрагментация гигантского молекулярного облака и появление в нем плотных холодных ядер, индикаторами которых выступают такие молекулы, как СгБ и МНз. На втором этапе начинается коллапс плотных ядер. Химической особенностью этой стадии является высокая степень вымерзания большинства молекул (НгО, СО, СО2) из газовой фазы на пыль в центральной, наиболее плотной, темной и холодной части ядра. Третий этап коллапса характеризуется появлением в центре горячей протозвезды, начинающей разгонять своим излучением окружающее вещество, в которое она пока еще глубоко погружена. Поскольку на этой стадии продолжается аккреция вещества из облака на звезду, наличие у вещества углового момента обуславливает возникновение вокруг звезды аккреционного диска и биполярных джетов. Индикаторами взаимодействия джетов с окружающим веществом выступают молекулы СН3ОН, ЭО, БОг, НСМ, БЮ, диска — НгО. На четвертом этапе практически сформировавшаяся звезда уже разогнала окружавшую ее материю облака и окружена лишь протопланетным диском, в котором формируются такие молекулы, как СМ, НИС, НСО+, Н20, СО, НСМ. Наконец, пятый и последний этап характеризуется появлением молодой звезды главной последовательности и, возможно, планетной системы вокруг нее.

Кроме того, в главе I отмечаются особенности химического состава протопланетных дисков: пониженное в 3 — 100 раз по сравнению с протозвездным облаком содержание ряда молекул, наличие излучения молекул СО и НСО+, возникающего в холодном 10К) газе, в некоторых из них. В главе I отмечается, что химические процессы в межзвездной среде определяют такие ключевые физические параметры звездообразования, как степень ионизации среды, а также

процессы охлаждения газа. Следовательно, детальное изучение химических процессов в межзвездной среде важно не только с наблюдательной точки зрения, но и для понимания сущностей физических процессов, сопровождающих образование звезд [3].

Далее в главе I рассматриваются основные типы химических процессов в межзвездной среде и особенности современных астрохимических моделей. Химические процессы в МЗС могут быть разделены на 2 основных типа. Процессы первого типа протекают в газе, в то время, как процессы второго типа — на поверхности пылевых частиц. Основными типами химических реакций, протекающих в газовой фазе, являются реакции радиативной ассоциации, на начальных этапах химической эволюции приводящие к образованию более сложных молекул из простых, процессы фотоионизации и фотодиссоциации, приводящие к образованию молекулярных ионов и разрушению сложных молекул, а также ион-нейтральные и нейтрально-нейтральные реакции, приводящие к перераспределению связей между атомами реагентов, и, следовательно, к превращению одних сложных молекул в другие.

Химическое взаимодействие газа и пылевых частиц осуществляется через процессы аккреции и десорбции атомов и молекул. В частности, именно процесс аккреции ответственен за вымерзание молекул из газа на пыль в темных холодных молекулярных ядрах.

Химические реакции на поверхности пылевых частиц — своего рода каталитические процессы, в которых естественным природным катализатором выступает поверхность пылевой частицы. Важнейшим из них является фундаментальный процесс образования молекулярного водорода. Другие поверхностные реакции в основном приводят к образованию сложных молекул из более простых. Особенно эффективно на поверхности пылевых частиц формируются сложные органические молекулы, содержащие длинные углеродные цепочки [4]. В главе I отмечается, что при моделировании

13

химических реакций на поверхности пылевых частиц важен учет их стохастической природы [5].

Современные астрохимические модели, как правило, строятся в приближении так называемых химических балансных уравнений (ХБУ) и включают до нескольких сотен атомов и молекул и нескольких тысяч химических реакций между ними. Источниками данных о химических реакциях и их скоростях является несколько публично доступных баз данных, например, 08112007 [6] и ЯАТЕОб [7]. Константы скорости этих химических реакций зачастую определены с невысокой точностью и могут содержать ошибки от 50 % до порядка величины.

Глава II диссертационной работы посвящена исследованию влияния неточностей констант скоростей реакций на результаты астрохимического моделирования. В главе исследуются случаи темного (п(Н)=2-104 см-3, Т=10К, Ау > 10) и диффузного (п(Н)=5-103 см-3, Т=30К, Ау=0.5) облаков.

Для всех рассмотренных случаев исследование выполнено с использованием статистической методики. Методика анализа заключалась в создании и последующем статистическом анализе большой выборки (порядка 10000) статических газофазных моделей химической эволюции, рассчитанных при одинаковых физических условиях, с одинаковым набором химических реакций между одними и теми же соединениями, но с различными константами скоростей. Для определенности мы ограничились рассмотрением влияния погрешности в определении а, константы в коэффициенте скорости реакции, варьирование которой приводит к его линейному изменению и не изменяет такие свойства реакции, как температурный барьер и др. Величина а выбиралась случайным образом внутри соответствующего интервала ошибок, центрированного на значении константы, приведенном в базе химических реакций.

Для модельных обилий молекул были рассчитаны дисперсии, на основании величин которых для случаев темного и диффузного облаков молекулы были разделены на 6 групп.

Была выявлена зависимость величины дисперсии модельного обилия молекул от их сложности, т.е. от числа составляющих их атомов. По-видимому, это связано с тем, что неточности модельных обилий, обусловленные неопределенностями скоростей химических реакций, имеют кумулятивный характер и накапливаются в длинных цепочках реакций. Поскольку сложная молекула образуется, как правило, в более длинной цепочке последовательных процессов, результирующая дисперсия ее обилия оказывается больше. При этом в главе II отмечается, что дисперсии обилий наблюдаемо значимых молекул не превышают 0.5 — 1 порядка величины, что сопоставимо с точностью их определения из наблюдений.

Далее в главе II исследуется влияние неточностей скоростей реакций на определение физических параметров молекулярных облаков. В частности, показывается, что "химические часы", основанные на отношении обилий цианополиинов (например, HC3N/HC5N) практически перестают работать, если учесть в химической модели неточности скоростей химических реакций.

После этого в главе II исследуется вопрос о том, какие химические реакции вносят наибольший вклад в неточности модельных обилий, и могут ли эти неточности быть уменьшены. Использованный в работе метод варьирования констант скоростей позволяет оценить линейную корреляцию обилия данной молекулы с константами скоростей отдельных реакций. Показано, что реакции, имеющие наибольшие значения коэффициентов корреляции между выборками их констант а и обилиями данной молекулы, вносят наибольший вклад в результирующую неопределенность модельного обилия данной молекулы. Для случая темного облака выделены химические реакций, вносящие наибольший вклад в неточности модельных обилий цианополиинов HC„N, п=1 -9.

В главе III проведено исследование влияния неточностей скоростей химических реакций на результаты моделирования протопланетного диска (R = 800 а.е., М^ = 0.07 Mq, скорость

аккреции М = 10~8Л/о/год, параметр вязкости а — 0.01 [8]) вокруг звезды типа Т Тельца. Помимо изучения аспектов, аналогичных рассмотренным в первой части главы, для протопланетного диска выполнены дополнительные действия: построены карты распределения обилий ионов и молекул в диске, а также карты распределения их дисперсий. Обнаружено, что лучевые концентрации некоторых молекул в диске менее подвержены влиянию ошибок скоростей химических реакций (СО, С+, HJ, Н20, NH3, N2H+, HCNH+), что делает их вероятными кандидатами на роль индикаторов физических условий в протопланетных дисках. С .помощью корреляционного метода выделена небольшая группа реакций (56 или 1 % от общего числа включенных в модель), вносящая наибольший вклад в неопределенности модельных обилий молекул в облаках и диске. Данные реакции предлагаются для дальнейшего лабораторного изучения.

В главе IV диссертации строится стохастическая модель химической эволюции межзвездной среды, исследуются границы применимости методов балансных уравнений и модифицированных балансных уравнений для моделирования химических процессов на поверхности пылевых частиц, а также описывается неизвестный ранее высокоэффективный способ формирования молекулярного водорода на поверхности пылевых частиц.

В начале главы IV подробно изложены основы математического аппарата, на который опирается стохастическое описание химически реагирующих систем. Формулируется химическое управляющее уравнение, строится иерархия стохастических моделей. Показывается, что детерминистические химические балансные уравнения являются предельным случаем стохастического химического управляющего уравнения при бесконечно большом числе реагирующих частиц. На основе введенного математического аппарата строится классический алгоритм стохастического моделирования (АСМ) [1].

Микрофизическая модель химических процессов на поверхности пылевой частицы построена на основе работы [4]. Поскольку ряд аспектов химии на поверхности пылевых частиц слабо изучен, в диссертации рассмотрено два варианта .модели. В первом основным источником мобильности легких атомов и молекул является эффект квантового туннелирования через потенциальные барьеры на поверхности пылевой частицы, а отношения энергий десорбции к энергиям диффузии Еь/Ед атомов и молекул равно 0.3 [4]. Во втором случае источником мобильности всех атомов и молекул являются лишь их тепловые колебания, а отношение Е^/Ед принято равным 0.77 [9]. В главе IV отмечено, что большее влияние стохастичности поверхностной химии на результаты моделирования ожидается в первом случае, т.к. химические балансные уравнения некорректны прежде всего при описании случая так называемого "аккреционного предела", т.е. ситуации, в которой скорости поверхностных реакций выше скоростей аккреции реагентов из газа на пыль. Эта ситуация тем вероятнее, чем выше скорости поверхностных реакций. Наибольшие их значения достигаются при учете эффекта квантового туннелирования и при использовании значения Е^/Ед = 0.3.

Описанная выше микрофизическая модель является частью построенной автором диссертации стохастической модели химической эволюции МЗС. Впервые в рамках единого метода Монте Карло удалось совместить расчет как газофазной, так и поверхностной химии. При этом также впервые модель включает достаточное для реалистичного описания сложных химических процессов в МЗС число атомов и молекул и химических реакций: более 600 и 6000 соответственно. В главе IV также описан программный код, написанный автором для расчета этой и аналогичных моделей.

При помощи построенной стохастической модели путем сравнения результатов было выполнено исследование границ применимости детерминистических метода химических балансных уравнений и модифицированных балансных уравнений для моделирования химической эволюции МЗС

17

с учетом химии на поверхности пылевых частиц. Сравнение проводилось для диапазона физических условий (Ау=0.2 -15, п(Н)=102 см-3 - 104 см-3, Т—10К - 50К), включающего сочетания условий, типичные для диффузных облаков (Ау ~ 2, п(Н) — 103 см-3, Т = ЗОК) и плотных молекулярных ядер (Ау ~ 10, п(Н) - 104 см-3, Т = 10К). Было установлено, что удовлетворительное согласие между методами балансных уравнений и Монте Карло достигается только в случае, если рассматриваемая микрофизическая модель поверхностной химии подразумевает невысокую мобильность реагентов на поверхности пылевой частицы. В нашей работе это модель без учета эффекта квантового туннелирования и с отношением энергий диффузии к энергиям десорбции Еь/Ед=0.77. В моделях с иными параметрами микрофизики (с учетом эффекта квантового туннелирования или с Еь/Ед—0.3) для большинства физических условий наибольшие различия наблюдаются в модельных обилиях молекул на поверхности пылевых частиц. При этом, при температуре Т ~ ЗОК имеется особая зона, где наблюдаются различия не только обилий на поверхности пыли, но и в обилиях наблюдаемых газофазных молекул (СО, 1\ТН3). Показано, что это связано с неправильной оценкой скорости конвертации молекулы СО в СОг на пылевых частицах при расчете методами балансных уравнений. Отмечено, что согласие метода Монте Карло с методом модифицированных балансных уравнений в целом несколько лучше, нежели с методом стандартных балансных уравнений.

В Заключении приводятся основные результаты и выводы диссертации, показана научная новизна основных результатов диссертации и их научная и практическая ценность.

Список литературы

[1] Gillespie D. T. A General Method for Numerically Simulating the Stochastic Time Evolution of Coupled Chemical Reactions // Journal of Computational Physics.— 1976. — Vol. 22. - P. 403.

[2] van Dishoeck E. F., Blake G. A. Chemical Evolution of Star-Forming Regions // Ann. Rev. Astron. Astrophys. — 1998. — Vol. 36. - P. 317-368.

[3] Langer W. D., van Dishoeck E. F., Bergin E. A. et al. Chemical Evolution of Protostellar Matter // Protostars and Planets IV. - 2000. - P. 29.

[4] Hasegawa T. I., Herbst E., Leung C. M. Models of gas-grain chemistry in dense interstellar clouds with complex organic molecules // Astrophys. J., Suppl. Ser.- 1992.— Vol. 82,— P. 167-195.

[5] Tielens A. G. G. M., Hagen W. Model calculations of the molecular composition of interstellar grain mantles // Astron. Astrophys. - 1982,- Vol. 114.- P. 245-260.

[6] Smith I. IV. M., Herbst E., Chang Q. Rapid neutral-neutral reactions at low temperatures: a new network and first results for TMC-1 // Mon. Not. R. Astron. Soc. - 2004. - Vol. 350. -P. 323-330.

[7] Woodall J., Agündez M., Markwick-Kemper A. J., Millar T. J. The UMIST database for astrochemistry 2006 // Astron. Astrophys. - 2007. - Vol. 466. - P. 1197-1204.

[8] Dutrey A., Guilloteau S., Guelin M. Chemistry of protosolar-like nebulae: The molecular content of the DM Tau and GG Tau disks. // Astron. Astrophys. - 1997. - Vol. 317. - P. L55-L58.

[9] Katz N., Furman I., Biham O. et al. Molecular Hydrogen Formation on Astrophysically Relevant Surfaces // Astrophys. J. — 1999. - Vol. 522. - P. 305-312.

Подписано в печать 08.12.2008. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л.

Тираж 100 экз. Заказ N9г1 Отпечатано в ИПЦ «Издательство УрГУ» 620083, г. Екатеринбург, ул. Тургенева, 4

Введение

1 Астрохимические процессы и их значение для исследований межзвездной среды

1.1 Межзвездная среда — колыбель звезд и планет.

1.2 Общая характеристика химических процессов в межзвездной среде.

1.2.1 Химические процессы в газовой фазе

1.2.2 Газопылевое взаимодействие и химические реакции на поверхности пылевых частиц.

1.2.3 Особенности химии протопланетных дисков.

1.3 Методы моделирования химических процессов в межзвездной среде.

2 Анализ влияния неточностей скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования молекулярных облаков

2.1 Уравнения химической кинетики и константы химических реакций.

2.2 Метод расчета и анализа функций распределения модельных концентраций молекул

2.3 Результаты.

2.3.1 Группы молекул по чувствительности к неточностям скоростей химических реакций.

2.3.2 Влияние выбора распределения ошибок.

2.4 Ошибки констант химических реакций и параметры молекулярных облаков.

2.5 Корреляция концентраций молекул с константами скоростей отдельных реакций.

2.6 Резюме.

3 Анализ влияния неточностей скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования протопланетных дисков

3.1 Модели физической структуры и химических процессов в околозвездном диске.

3.2 Метод расчета и анализа распределений модельных концентраций молекул в диске.

3.3 Результаты.

3.3.1 Профили распределения модельных концентраций в диске.

3.3.2 Распределение осредненных обилий в диске.

3.3.3 Распределение дисперсий обилий и лучевых концентраций молекул.

3.4 Выделение наиболее «проблемных» химических реакций

3.4.1 Метод обнаружения «проблемных» реакций

3.4.2 Наиболее «проблемные» реакции.

3.5 Резюме.

4 Стохастическое моделирование астрохимических систем

4.1 Необходимость учета стохастических эффектов при моделировании химии на поверхности пылевых частиц

4.2 Модель химической эволюции межзвездной среды.

4.2.1 Микроскопическая модель химии на поверхности пылевой частицы.

4.3 Принципы моделирования химических реагирующих систем

4.3.1 Микроскопическое описание химически реагирующей системы.

4.3.2 Химическое управляющее уравнение.

4.3.3 Классический алгоритм стохастического моделирования

4.3.4 Вычислительно жесткие системы: Тау-скачок.

4.3.5 Химическое уравнение Ланжевена.

4.3.6 Термодинамический предел: химические балансные уравнения

4.4 Реализация метода Монте-Карло для расчета химической эволюции межзвездной среды.

4.5 Исследование применимости классического и стохастического приближений для моделирования химических процессов в межзвездной среде.

4.5.1 Исследование общего согласия методов.

4.5.2 Исследование согласия методов для отдельных соединений

4.6 Обсуждение результатов.

4.7 Резюме.

Химические процессы в межзвездной среде являются объектом пристального внимания астрофизиков уже более тридцати лет. Неослабевающий интерес к ним обусловлен, в частности, тем, что многие важнейшие процессы звездообразования и формирования планетных систем доступны для исследования только посредством наблюдений радиолиний молекул, так как зоны звездообразования, как правило, непрозрачны для оптического излучения из-за большого количества пыли в них. Даже сейчас, когда благодаря космическим методам астрономам стали доступны для наблюдений все длины волн, радиоастрономические наблюдения не потеряли своей актуальности.

Поскольку молекулярный водород Н2 и гелий Не, на долю которых приходится подавляющая часть массы комплексов звездообразования, не излучают в радиолиниях, информация о процессах, протекающих в областях звездообразования, получается из наблюдений менее обильных молекул, которых к настоящему времени открыто порядка 140. Интерпретация наблюдений требует построения моделей химической эволюции межзвездной среды (МЗС), включающих такие процессы, как химию в газовой фазе, процессы газопылевого взаимодействия и химические реакции на поверхности пылевых частиц. Последние могут играть определяющую роль в химии ряда наблюдаемых молекул, таких, как Ш3) Н20, СН4.

Развитие техники наблюдений, качественное повышение чувствительности, спектрального и углового разрешения, ожидающееся в ближайшее десятилетие благодаря вводу в строй инструментов нового поколения, таких, как ALMA, Herschel, eVLA, Sofia, в ближайшем будущем потребуют построения нового поколения астрохимических моделей. Наряду с реалистичным детальным описанием физики МЗС важное значение будет иметь математически корректное описание собственно химических процессов, как известно [1], имеющих стохастическую природу. Кроме этого, при интерпретации результатов высокоточных наблюдений, становится важной оценка неопределенностей результатов химического моделирования, отклонения в которые вносят, в частности, такие сугубо химические факторы, как ошибки определения констант скоростей химических реакций.

Таким образом, требования к улучшению качества астрохимических моделей диктуются возрастающими возможностями наблюдательных средств, появлением возможности детального изучения не только протозвездных облаков, но также имеющих крайне небольшой угловой размер протопланетных дисков. Оценка точности астрохимического моделирования, а также введение в астрохимические модели корректного описания стохастической природы химических процессов — первые шаги на пути создания моделей нового поколения.

Цель работы

Целью работы является улучшение качества астрохимических моделей путем исследования и уменьшения неточностей результатов моделирования, обусловленных погрешностями в скоростях химических реакций, а также разработки и внедрения в модели корректного стохастического описания химических процессов на поверхности межзвездных пылевых частиц.

Структура диссертации

Результаты работы были представлены на всероссийских и международных конференциях, а также семинарах Кафедры астрономии и геодезии Уральского Государственного университета им. А.М. Горького и Института астрономии общества Макса Планка (Гейдельберг, Германия):

1. на XXXII, XXXIV, XXXV и XXXVII Зимних студенческих конференциях «Физика Космоса», проходивших в Астрономической обсерватории УрГУ в 2004, 2005, 2006 и 2008 гг.;

2. на 11 и 12 Всероссийских конференциях студентов—физиков, проходивших в Екатеринбурге (2005) и Новосибирске (2006);

3. на 4 международном симпозиуме The Dense Interstellar Medium in Galaxies (4th Cologne-Bonn-Zermatt-Symposium), проходившем в г. Церматт (Швейцария, 2003);

4. на совещании «Звездообразование в Галактике и за ее пределами», проходившем в Институте астрономии РАН (Москва) в 2006 году;

5. на международном симпозиуме «Complex molecules in Space: Present status and prospects with ALMA», проходившем в г. Fugisocentret (Дания) в 2006 году;

6. на международной конференции «Science with ALMA: а new era for Astrophysics», проходившей в Мадриде (Испания) в 2006 г.;

7. на международной конференции «Molecules in Space and Laboratory», проходившей в Париже (Франция) в 2007 году;

8. на семинарах Института астрономии общества Макса Планка в г. Гейдельберге (Германия) в 2006 и 2008 годах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Оценка влияния неточностей констант скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования для случаев темных и диффузных облаков, а также протопланетных дисков;

2. Группа химических реакций, вносящих наибольший вклад в неточности модельных обилий химических соединений;

3. Стохастическая модель химической эволюции газопылевой химически реагирующей системы, применимая к моделированию широкого спектра астрофизических объектов.

Научная новизна

В диссертации впервые исследовано влияние неопределенностей констант скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования протозвездных облаков и протопланетных дисков. Выявлена зависимость величины дисперсии модельных обилий молекул от их сложности. Показано, что для большинства наблюдаемых молекул величина ошибки модельных обилий сопоставима с точностью наблюдательных данных. Для протопланетных дисков выделен ряд соединений, чьи модельные обилия в меньшей степени подвержены влиянию ошибок в скоростях реакций, что делает их хорошими кандидатами на роль индикаторов физических условий в дисках.

Показано, что основной вклад в неопределенности модельных обилий молекул вносит небольшая группа химических реакций (менее 1 % от общего количества включенных в модель).

Впервые построена стохастическая модель химической эволюции межзвездной среды, в которой химические процессы в газовой фазе и на поверхности пылевых частиц моделируются в рамках единого метода Монте Карло. Использованный метод впервые позволил включить в стохастическую химическую модель большое количество молекул (600) и реакций между ними (более 6000). Благодаря этому стало возможным исследование границ применимости методов Балансных уравнений и Модифицированных балансных уравнений для моделирования различных астрофизических объектов, также впервые выполненное в этой работе.

Предложен новый способ образования молекулярного водорода на поверхности пылевых частиц, потенциально эффективный при более существенно более высоких температурах, нежели классический.

Научная и практическая значимость работы

Оценки неточностей модельных обилий химических соединений, полученные в этой работе, могут найти широкое применение при сравнении данных, полученных при наблюдениях линий молекул, с результатами теоретических исследований. Группа химических реакций, вносящих наибольший вклад в неточности модельных обилий молекул, может использоваться как руководство к действию исследователями, выполняющими лабораторные измерения скоростей химических процессов.

Стохастическая модель химической эволюции межзвездной среды необходима для исследований межзвездных облаков и протопланетных дисков, а также интерпретации наблюдательных данных по их химическому составу. Помимо этого, с помощью построенной модели возможно проведение исследований стохастических эффектов в астрохимических системах, таких как бистабильность. Описание химических процессов на поверхности пылевых частиц в рамках модели может быть детализировано, что позволит использовать ее при подробном изучении структуры и состава мантий межзвездных и межпланетных пылевых частиц.

Благодарности

Автор выражает глубокую и искреннюю признательность:

• Научному руководителю A.M. Соболеву за введение в увлекательнейший мир астрофизики и неоценимую помощь в подготовке диссертации, а также соавторам всех своих публикаций, без помощи и поддержки которых путешествие по этому миру было бы весьма затруднительно.

• Всем сотрудникам Кафедры астрономии и геодезии, а также Астрономической обсерватории Уральского Государственного университета имени A.M. Горького за профессиональную и человеческую поддержку на протяжении многих лет.

• Руководству и сотрудникам астрономических учреждений — Института Астрономии РАН (Москва), Пущинской радиоастрономической обсерватории (Пущино), Института астрономии общества Макса Планка (Гейдельберг), в которых им был получен бесценный теоретический и практический опыт.

• Всем своим близким за постоянную поддержку в течение всего времени работы над диссертацией (в особенности — маме Ольге Дмитриевне и жене Татьяне).

• Екатерине Анатольевне Аввакумовой за предоставленный Т]цХ-стиль для оформления списка литературы.

• Светлане Викторовне Салий за помощь в оформлении диссертации.

• Дмитрию Зигфридовичу Вибе и Юрию Андреевичу Ковалёву за помощь в организации защиты диссертации.

• Негосударственному фонду «Династия» Дмитрия Зимина, Российскому фонду фундаментальных исследований (код проекта 03-02-16433), Министерству образования РФ (грант Е02-11.0-43), ШТАБ (грант 99-16676) за финансовую поддержку исследований, представленных в данной диссертации.

Заключение

Публикации автора по теме диссертации

1. Gillespie D. Т. A general method for numerically simulating the stochastic time evolution of coupled chemical reactions // Journal of Computational Physics. - 1976. - Vol. 22. - P. 403.

2. Langer W. D., van Dishoeck E. F., Bergin E. A. et al. Chemical evolution of protostellar matter // Protostars and Planets IV / Ed. by V. Mannings, A. P. Boss, S. S. Russell. — Tucson: University of Arizona Press, 2000. — P. 29.

3. Hasegawa Т. I., Herbst E., Leung С. M. Models of gas-grain chemistry in dense interstellar clouds with complex organic molecules // Astrophys. J., Suppl. Ser. — 1992. Vol. 82. - Pp. 167-195.

4. Tielens A. G. G. M., Hagen W. Model calculations of the molecular composition of interstellar grain mantles // Astron. Astrophys. — 1982. — Vol. 114. Pp. 245-260.

5. Smith I. W. M., Herbst E., Chang Q. Rapid neutral-neutral reactions at low temperatures: a new network and first results for TMC-1 // Mon. Not. R. Astron. Soc. 2004. - Vol. 350. - Pp. 323-330.

6. Woodall J., Agundez M., Markwick-Kemper A. J., Millar T. J. The UMIST database for astrochemistry 2006 // Astron. Astrophys. — 2007. — Vol. 466. Pp. 1197-1204.

7. Dutrey A., Guilloteau S., Guelin M. Chemistry of protosolar-like nebulae: the molecular content of the DM Tau and GG Tau disks // Astron. Astrophys. 1997. - Vol. 317. - Pp. L55-L58.

8. Katz N., Furman I., Biham 0. et al. Molecular hydrogen formation on astrophysically relevant surfaces // Astrophys. J. — 1999. — Vol. 522. — Pp. 305-312. arXiv:astro-pli/990G071.

9. Shu F., Najita J., Galli D. et al. The collapse of clouds and the formation and evolution of stars and disks // Protostars and Planets III / Ed. by E. H. Levy, J. I. Lunine. 1993. - Pp. 3-45.

10. Li Z.-Y., Shu F. H. Magnetized singular isothermal toroids // Astrophys. J. 1996. - Vol. 472.- P. 211.

11. Blake G. A. High angular resolution observations of the gas phase composition of young stellar objects / Ed. by E. F. van Dishoeck. — Vol. 178 of IAU Symposium. 1997. - Pp. 31-44.

12. Tielens A. G. G. M., Whittet D. C. B. Ices in star forming regions / Ed. by E. F. van Dishoeck. Vol. 178 of IAU Symposium. - 1997. - P. 45.

13. Hollenbaeh D. J., Tielens A. G. G. M. Dense Photodissociation Regions (PDRs) // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1997.- Vol. 35,- Pp. 179216.

14. Adams W. S. What lies between the stars // Publ. Astron. Soc. Pac.— 1941. Vol. 53. - P. 73.

15. Prasad S. S., Tarafdar S. P. UV radiation field inside dense clouds Its possible existence and chemical implications // Astrophys. J. — 1983. — Vol. 267. - Pp. 603-609.

16. Hollenbaeh D., Salpeter E. E. Surface recombination of hydrogen molecules // Astrophys. J. 1971. - Vol. 163. - P. 155.

17. Jura M. Interstellar clouds containing optically thin H2 // Astrophys. J. — 1975. Vol. 197. - Pp. 575-580.

18. Stantcheva T., Herbst E. Models of gas-grain chemistry in interstellar cloud cores with a stochastic approach to surface chemistry // Astron. Astrophys. 2004. - Vol. 423. - Pp. 241-251.

19. Meyer D. M., Roth K. C. Discovery of interstellar NH // Astrophys. J., Lett. 1991. - Vol. 376. - Pp. L49-L52.

20. Shalabiea O. M., Greenberg J. M. Two key processes in dust/gas chemical modelling: photoprocessing of grain mantles and explosive desorption // Astron. Astrophys. 1994. - Vol. 290. - Pp. 266-278.

21. Watson W. D., Salpeter E. E. Molecule formation on interstellar grains // Astrophys. J. 1972. - Vol. 174. - P. 321.

22. Allen M., Robinson G. W. The molecular composition of dense interstellar clouds // Astrophys. J. 1977. - Vol. 212. - Pp. 396-415.

23. Barzel B., Biharn 0. Efficient simulations of interstellar gas-grain chemistry using moment equations // Astrophys. J., Lett. — 2007. — Vol. 658. — Pp. L37-L40. arXiv:0710.2250.

24. Millar T. J., Farquhar P. R. A., Willacy K. The UMIST Database for As-trochemistry 1995 // Astron. Astrophys. Suppl. Ser. — 1997. — Vol. 121. — Pp. 139-185.

25. Le Teuff Y. H., Millar T. J., Markwick A. J. The UMIST database for as-trochemistry 1999 // Astron. Astrophys. Suppl. Ser. — 2000. — Vol. 146. — Pp. 157-168.

26. Lee H.-H., Roueff E., Pineau des Forets G. et al. Bistability in large chemical networks: a global view // Astron. Astrophys. — 1998. — Vol. 334. — Pp. 1047-1055.

27. Li Z.-Y., Shematovich I., Wiebe D. S., Shustov B. M. A coupled dynamical and chemical model of starless cores of magnetized molecular clouds. I. Formulation and initial results // Astrophys. J. — 2002,— Vol. 569. — Pp. 792-802. arXiv:astro-ph/0201019.

28. Aikawa Y., OhashiN., Inutsuka S.-I., Herbst S., E. andTakakuwa. Molecular evolution in collapsing prestellar cores // Astrophys. J. — 2001. — Vol. 552.— Pp. 639-653. arXiv:astro-ph/0202061.

29. Terzieva R., Herbst E. The sensitivity of gas-phase chemical models of interstellar clouds to С and О elemental abundances and to a new formation mechanism for Ammonia // Astrophys. J. — 1998. — Vol. 501. — P. 207.

30. Turner В. E. A common gas-phase chemistry for diffuse, translucent, and dense clouds? // Astrophys. J. 2000. - Vol. 542. - Pp. 837-860.

31. Matsumoto M., Nishimura T. Mersenne twister: a 623-dimensionally equidistributed uniform pseudo-random number generator // ACM Trans. Model. Comput. Simul. 1998. - Vol. 8, № 1. - Pp. 3-30.

32. Pineau Des Forêts G., Roueff E. Hg" recombination and bistability in the interstellar medium // Astronomy, physics and chemistry of H3. — Vol. 358 of Royal Society of London Philosophical Transactions Series A. 2000,- P. 2549.

33. Ваеюнии А. И., Соболев A. M., Вибе Д. 3., Семенов Д. А. О влиянии неточностей скоростей химических реакций на результаты астрохимического моделирования // Письма в Астрон. журн. — 2004. Vol. 30. - Pp. 623-634.

34. Hirahara Y., Suzuki H., Yamamoto S. et al. Mapping observations of sulfur-containing carbon-chain molecules in Taurus Molecular Cloud 1 (TMC-1) 11 Astrophys. J. 1992. - Vol. 394. - Pp. 539-551.

35. Ruffle D. P., Hartquist T. W., Taylor S. D., Williams D. A. Cyanopolyynes as indicators of late-time chemistry and depletion in star-forming regions // Mon. Not. R. Astron. Soc. — 1997.— Vol. 291. — Pp. 235-240.

36. Stahler S. W. The cyanopolyynes as a chemical clock for molecular clouds // Astrophys. J. 1984. - Vol. 281. - Pp. 209-218.

37. D'Alessio P., Calvet N., Hartmann L. et al. Accretion Disks around Young Objects. II. Tests of Well-mixed Models with ISM Dust // Astrophys. J. —1999. — Vol. 527. — Pp. 893-909. arXiv^tro-ph/9907330.

38. Piétu V., Dutrey A., Guilloteau S. Probing the structure of protoplanetary disks: a comparative study of DM Tau, LkCa 15, and MWC 480 // Astron. Astrophys. — 2007. — Vol. 467. Pp. 163-178. arXiv:astro-ph/0701425.

39. Simon M., Dutrey A., Guilloteau S. Dynamical masses of T Tauri stars and calibration of Pre-Main-Sequence evolution // Astrophys. J. —2000. Vol. 545. - Pp. 1034-1043.

40. Vasyunin A. I., Semenov D., Henning T. et al. Chemistry in protoplanetary disks: a sensitivity analysis // Astrophys. J. — 2008.— Vol. 672.— Pp. 629-641.

41. Draine B. T. Photoelectric heating of interstellar gas // Astrophys. J., Suppl. Ser. 1978. - Vol. 36. - Pp. 595-619.

42. Bergin E., Calvet N., D'Alessio P., Herczeg G. J. The effects of UV continuum and Lyo; Radiation on the chemical equilibrium of T Tauri disks // Astrophys. J., Lett. 2003. - Vol. 591. - Pp. L159-L162.

43. Semenov D., Henning T., Helling C. et al. Rosseland and Planck mean opacities for protoplanetary discs // Astron. Astrophys. — 2003. — Vol. 410. — Pp. 611-621. arXiv:astro-ph/0308344.

44. Lee H.-H., Herbst E., Pineau des Forets G. et al. Photodissociation of H2 and CO and time dependent chemistry in inhomogeneous interstellar clouds // Astron. Astrophys. — 1996. Vol. 311. - Pp. 690-707.

45. Glassgold A. E., Najita J., Igea J. X-Ray ionization of protoplanetary disks 11 Astrophys. J. 1997. - Vol. 480. - P. 344.

46. Finocchi F., Gail H.-P. Chemical reactions in protoplanetary accretion disks. III. The role of ionisation processes // Astron. Astrophys. — 1997. — Vol. 327. Pp. 825-844.

47. Semenov D.; Pavlyuchenkov Y., Schreyer K. et al. Millimeter observations and modeling of the AB Aurigae system // Astrophys. J. — 2005. — Vol. 621. — Pp. 853-874. arXiv:astro-ph/0411653.

48. Hollenbach D., McKee C. F. Molecule formation and infrared emission in fast interstellar shocks. I Physical processes // Astrophys. J., Suppl. Ser. 1979. - Vol. 41. - Pp. 555-592.

49. Garrod R. T., Herbst E. Formation of methyl formate and other organic species in the warm-up phase of hot molecular cores // Astron. Astrophys. — 2006. — Vol. 457. — Pp. 927-936. arXiv:astro-ph/0607560.

50. Wakelam V., Herbst E., Selsis F., Massacrier G. Chemical sensitivity to the ratio of the cosmic-ray ionization rates of He and H2 in dense clouds // Astron. Astrophys. — 2006. — Vol. 459. — Pp. 813-820. arXiv:astro-Ph/060S55i.

51. Dobrijevic M., Parisot J. P. Effect of chemical kinetics uncertainties on hydrocarbon production in the stratosphere of Neptune // Planet. Space Sci. 1998. - Vol. 46. - Pp. 491-505.

52. Dobrijevic M., Ollivier J. L.; Billebaud F. et al. Effect of chemical kinetic uncertainties on photochemical modeling results: Application to Saturn's atmosphere // Astron. Astrophys. — 2003. — Vol. 398. — Pp. 335-344.

53. Wakelam V., Selsis F., Herbst E., Caselli P. Estimation and reduction of the uncertainties in chemical models: application to hot core chemistry // Astron. Astrophys. — 2005. Vol. 444. — Pp. 883-891.

54. Kastner J. H., Zuckerman B., Weintraub D. A., Forveille T. X-ray and molecular emission from the nearest region of recent star formation // Science. 1997. - Vol. 277. - Pp. 67-71.

55. Aikawa Y., Momose M., Thi W.-F. et al. Interferometric Observations of Formaldehyde in the Protoplanetary Disk around LkCa 15 // Publ. Aston. Soc. Jpn. 2003. - Vol. 55. - Pp. 11-15.

56. Dartois E., Dutrey A., Guilloteau S. Structure of the DM Tau outer disk: probing the vertical kinetic temperature gradient // Astron. Astrophys. — 2003. Vol. 399. - Pp. 773-787.

57. Bisschop S. E., Fraser H. J., Oberg K. I. et al. Desorption rates and sticking coefficients for CO and N2 interstellar ices // Astron. Astrophys. — 2006. Vol. 449. - Pp. 1297-1309.

58. Aikawa Y., Herbst E. Molecular evolution in protoplanetary disks. Two-dimensional distributions and column densities of gaseous molecules // Astron. Astrophys. 1999. - Vol. 351. - Pp. 233-246.

59. Willacy K., Langer W. D. The importance of photoprocessing in protoplanetary disks // Astrophys. J. 2000. - Vol. 544. - Pp. 903-920.

60. Aikawa Y., van Zadelhoff G. J., van Dishoeck E. F., Herbst E. Warm molecular layers in protoplanetary disks // Astron. Astrophys. — 2002. — Vol. 386. — Pp. 622-632. arXiv:astro-ph/0202060.

61. Willacy K., Langer W., Allen M., Bryden G. Turbulence-driven diffusion in protoplanetary disks: chemical effects in the outer regions // Astrophys. J. 2006. - Vol. 644. — Pp. 1202-1213. arxiv^tro-ph/ooosios.

62. Williams D. A. Association reactions // Astrophys. Lett. Commun. -1972. Vol. 10. - Pp. L17-L21.

63. Herbst E. An additional uncertainty in calculated radiative association rates of molecular formation at low temperatures // Astrophys. J. — 1980. Vol. 241. - Pp. 197-199.

64. Smith I. W. M. Effects of quantum mechanical tunneling on rates of radiative association // Astrophys. J. — 1989. — Vol. 347, — Pp. 282-288.

65. Prasad S. S., Huntress W. T., Jr. A model for gas phase chemistry in interstellar clouds. I — The basic model, library of chemical reactions, and chemistry among C, N, and O compounds // Astrophys. J., Suppl. Ser. — 1980. Vol. 43. - Pp. 1-35.

66. Herbst E. An update of and suggested increase in calculated radiative association rate coefficients // Astrophys. J. — 1985. — Vol. 291. — Pp. 226229.

67. Gerlich D. Ion-neutral collisions in a 22-pole trap at very low energies jI Physica Scripta. 1995. - Vol. 1995, № T59. - Pp. 256-263.http://stacks.iop.org/1402-4896/T59/256.

68. Singh P. D., Andreazza C. M. The formation of CN and CN+ by direct radiative association // Astrophys. J. — 2000. — Vol. 537. — Pp. 261-263.

69. Brownsword R. A., Sims I. R., Smith I. W. M. et al. The radiative association of CH with H2: a mechanism for formation of CH3 in interstellar clouds // Astrophys. J. 1997. - Vol. 485. - P. 195.

70. Nahar S. N., Pradhan A. K. Electron-ion recombination rate coefficients, photoionization cross sections, and ionization fractions for astrophysically abundant elements. I. Carbon and Nitrogen // Astrophys. J., Suppl. Ser. — 1997. — Vol. 111. P. 339.

71. Dalgarno A., McCray R. A. Heating and ionization of HI regions // Ann. Rev. Astron. Astrophys. 1972. - Vol. 10. - Pp. 375-424.

72. Leger A., Jura M., Omont A. Desorption from interstellar grains // Astron. Astrophys. 1985. - Vol. 144. - Pp. 147-160.

73. Dolginov A. Z., Stepinski T. F. Are cosmic rays effective for ionization of protoplanetary disks? // Astrophys. J. — 1994. — Vol. 427. — Pp. 377-383.

74. Herbst E., Klemperer W. The formation and depletion of molecules, in dense interstellar clouds // Astrophys. J. — 1973. — Vol. 185.— Pp. 505534.

75. Gammie C. F. Layered accretion in T Tauri disks // Astrophys. J.— 1996.-Vol. 457.-P. 355.

76. Semenov D., Wiebe D., Penning T. Reduction of chemical networks. II. Analysis of the fractional ionisation in protoplanetary discs // Astron. Astrophys. — 2004. — Vol. 417. — Pp. 93-106. arXiv:astro-ph/0403555.

77. Neufeld D. A., Moloney P. R., Conger S. Water maser emission from X-ray-heated circumnuclear gas in active galaxies // Astrophys. J., Lett.— 1994. Vol. 436. - Pp. L127-L130.

78. Maloney P. R., Hollenbach D. J., Tielens A. G. G. M. X-Ray-irradiated molecular gas. I. Physical processes and general results // Astrophys. J. — 1996. Vol. 466. - Pp. 561-584.

79. Lepp S., Dalgarno A. X-ray-induced chemistry of interstellar clouds // Astron. Astrophys. 1996. - Vol. 306. - Pp. L21-L24.

80. Stauber P., Doty S. D., van Dishoeck E. F., Benz A. 0. X-ray chemistry in the envelopes around young stellar objects // Astron. Astrophys. — 2005. — Vol. 440. — Pp. 949-966. arXiv:aslro-pli/0506306.

81. Spitzcr L. J., Tomasko M. G. Heating of HI regions by energetic particles // Astrophys. J. 1968. - Vol. 152. - P. 971.

82. Glassgold A. E., Langer W. D. Heating of molecular-hydrogen clouds by cosmic rays and X-Rays // Astrophys. J. — 1973. — Vol. 186. — Pp. 859888.

83. Dalgarno A., Stephens T. L. Discrete absorption and photodissociation of molecular hydrogen // Astrophys. J., Lett.— 1970.— Vol. 160. — Pp. L107-L109.

84. Jonkheid B., Kamp I., Augereau J.-C., van Dishoeck E. F. Modeling the gas-phase chemistry of the transitional disk around HD 141569A // Astron. Astrophys. — 2006. — Vol. 453. — Pp. 163-171. arXiv:astro-ph/0603515.

85. Roberge W. G., Jones D., Lepp S., Dalgarno A. Interstellar photodissociation and photoionization rates // Astrophys. J., Suppl. Ser. — 1991. — Vol. 77. Pp. 287-297.

86. Adams N. G., Smith D., Clary D. C. Rate coefficients of the reactions of ions with polar molecules at interstellar temperatures // Astrophys. J., Lett. 1985. - Vol. 296. - Pp. L31-L34.

87. Clary D. C., Smith D., Adams N. G. Temperature dependence of rate coefficients for reactions of ions with dipolar molecules // Chemical Physics Letters. 1985. - Vol. 119. - Pp. 320-326.

88. Smith I. W. M. Experimental measurements of the rate constants for neutral-neutral reactions // Rate coefficients in astrochemistry / Ed. by T. J. Millar, D. A. Williams. Proc. Conf., UMIST, Manchester, United

89. Kingdom, September 21-24, 1987. — Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1988.-Pp. 106-116.

90. Sims I. R., Queffelec J.-L., Travers D. et al. Rate constants for the reactions of CN with hydrocarbons at low and ultra-low temperatures // Chemical Physics Letters. 1993. - Vol. 211. - Pp. 461-468.

91. Sims I. R., Smith I. W. M., Clary D. C. et al. Ultra-low temperature kinetics of neutral-neutral reactions: new experimental and theoretical results for OH+HBr between 295 and 23 K // J. Chem. Phys. 1994.-Vol. 101.-Pp. 1748-1751.

92. Canosa A., Sims I. R., Travers D. et al. Reactions of the methylidine radical with CH4, C2H2, C2II4, C2HG, and butiene studied between 23 and 295K with a CRESU apparatus. // Astron. Astrophys. — 1997. — Vol. 323. Pp. 644-651.

93. Clary D. C., Haider N., Husain D., Kabir M. Interstellar carbon chemistry: reaction rates of neutral atomic carbon with organic molecules // Astrophys. J. 1994. - Vol. 422. - Pp. 416-422.

94. Sims I. R., Queffelec J.-L., Defrance A. et al. Ultralow temperature kinetics of neutral-neutral reactions. The technique and results for the reactions CN + 02 down to 13 K and CN + NH3 down to 25 K // J. Chem. Phys. -1994. Vol. 100. - Pp. 4229-4241.

95. Chastaing D., Le Picard S. D., Sims I. R., Smith I. W. M. Rate coefficients for the reactions of C(3PJ) atoms with C2H2, C2H4, CH3C = CH and H2C=C=CH2 at temperatures down to 15 K // Astron. Astrophys. — 2001. Vol. 365. - Pp. 241-247.

96. Adams N. G., Smith D. A study of the reactions of NHj and NDj with H2 and D2 at several temperatures // Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. — 1984. Vol. 61. - Pp. 133-139.

97. Fehsenfeld F. C.; Lindinger W., Schmeltekopf A. L. et al. Energy dependence of the reaction NHj + H2 NH~|~ + H // J. Chem. Phys. 1975. -Vol. 62. - Pp. 2001-2003.

98. Milligan D. B., McEwan M. J. Hg + 0: an experimental study // Chemical Physics Letters. 2000. - Vol. 319. - Pp. 482-485.

99. Kim J. K., Theard L. P., Huntress W. T., Jr. Proton transfer reactions from H3" ions to N2, O2, and CO molecules // Chemical Physics Letters. — 1975. Vol. 32. - Pp. 610-614.

100. Tscharnuter W. M., Gail H.-P. 2-D preplanetary accretion disks. I. Hydrodynamics, chemistry, and mixing processes // Astron. Astrophys. — 2007. Vol. 463. - Pp. 369-392.

101. Florescu-Mitchell A. I., Mitchell J. B. A. Dissociative recombination // Phys. Rep. 2006. - Vol. 430. - Pp. 277-374.

102. Petrignani A., van der Zande W. J.; Cosby P. C. et al. Vibrationally resolved rate coefficients and branching fractions in the dissociative recombination of OJ // J. Chem. Phys. 2005. - Vol. 122. - P. 4302.

103. Millar T. J., Defrees D. J., McLean A. D., Herbst E. The sensitivity of gas-phase models of dense interstellar clouds to changes in dissociative recombination branching ratios // Astron. Astrophys. — 1988. — Vol. 194. — Pp. 250-256.

104. Semaniak J., Minaev B. F., Derkatch A. M. et al. Dissociative recombination of IICNH+: absolute cross-sections and branching ratios // Astrophys. J., Suppl. Ser. 2001. - Vol. 135. - Pp. 275-283.

105. Geppert W. D., Thomas R. D., Ehlerding A. et al. Dissociative recombination branching ratios and their influence on interstellar clouds // Journal of Physics Conference Series. — 2005a. — Vol. 4. — Pp. 26-31.

106. Mitchell J. B. A. The dissociative recombination of molecular ions // Phys. Rep. 1990. - Vol. 186. - Pp. 215-248.

107. Vikor L., Al-Khalili A., Danared H. et al. Branching fractions in the dissociative recombination of NH4 and NHj molecular ions // Astron. As-trophys. 1999. - Vol. 344. - Pp. 1027-1033.

108. Pirronello V., Biham 0., Liu C. et al. Efficiency of molecular hydrogen formation on silicates // Astrophys. J., Lett. — 1997.— Vol. 483.—

109. P. L131. arXiv:astro-ph/9704236.

110. Pirronello V., Liu C., Shen L., Vidali G. Laboratory synthesis of molecular hydrogen on surfaces of astrophysical interest // Astrophys. J., Lett. — 1997. — Vol. 475. — P. L69. arXiv:astro-ph/9611022.

111. Pirronello V., Liu C., Roser J. E., Vidali G. Measurements of molecular hydrogen formation on carbonaceous grains // Astron. Astrophys. — 1999. Vol. 344. - Pp. 681-686.

112. Stantcheva T., Caselli P., Herbst E. Modified rate equations revisited. A corrected treatment for diffusive reactions on grain surfaces // Astron. Astrophys. 2001. - Vol. 375. - Pp. 673-679.

113. Caselli P., Stantcheva T., Shalabiea O. et al. Deuterium fractionation on interstellar grains studied with modified rate equations and a Monte Carlo approach // Planet. Space Sci. 2002. - Vol. 50. - Pp. 1257-1266.arXiv:astro-ph/0202368.

114. Le Bourlot J., Pineau des Forets G., Roueff E., Schilke P. Bistability in dark cloud chemistry // Astrophys. J., Lett. — 1993. — Vol. 416. — P. L87.

115. Shalabiea 0. M., Greenberg J. M. Bistability and dust/gas chemical modelling in dark interstellar clouds // Astron. Astrophys.— 1995.— Vol. 296. P. 779.

116. Boger G. I., Sternberg A. Bistability in interstellar gas-phase chemistry // Astrophys. J. — 2006. Vol. 645. — Pp. 314-323. arXiv:astro-ph/0601323.

117. Biham 0., Furman I., Pirronello V., Vidali G. Master equation for hydrogen recombination on grain surfaces // Astrophys. J. — 2001. — Vol. 553. — Pp. 595-603. arXiv:astro-ph/0012267.

118. Green N. J. B., Toniazzo T., Pilling M. J. et al. A stochastic approach to grain surface chemical kinetics // Astron. Astrophys. — 2001. — Vol. 375.-Pp. 1111-1119.

119. Lipshtat A., Biham O., Herbst E. Enhanced production of HD and D2 molecules on small dust grains in diffuse clouds // Mon. Not. R. Astron. SOC. 2004. - Vol. 348. - Pp. 1055-1064. arXiv:astro-ph/0311524.

120. Stantcheva T., Shematovich V. I., Herbst E. On the master equation approach to diffusive grain-surface chemistry: The H, O, CO system // Astron. Astrophys. — 2002. — Vol. 391. — Pp. 1069-1080. arXiv:astro-Ph/0306545.

121. Stantcheva T., Herbst E. Deuterium fractionation on interstellar grains studied with the direct master equation approach // Mon. Not. R. Astron. SOC. 2003. - Vol. 340. - Pp. 983-988. arXiv:astro-ph/030G5G2.

122. Lipshtat A., Biham O. Moment equations for chemical reactions on interstellar dust grains // Astron. Astrophys. — 2003.— Vol. 400.— Pp. 585593. arXiv:astro-ph/0212200.

123. Charnley S. B. Stochastic astrochemical kinetics // Astrophys. J., Lett. — 1998. Vol. 509. - Pp. L121-L124.

124. Charnley S. B. Stochastic theory of molecule formation on dust // Astrophys. J., Lett. 2001. - Vol. 562. - Pp. L99-L102.

125. Chang Q., Cuppen H. M., Herbst E. Gas-grain chemistry in cold interstellar cloud cores with a microscopic Monte Carlo approach to surface chemistry // Astron. Astrophys. 2007. - Vol. 469. - Pp. 973-983. arxiv:0704.2704.

126. Draine B. T., Lee H. M. Optical properties of interstellar graphite and silicate grains // Astrophys. J. 1984. - Vol. 285. - Pp. 89-108.

127. Cazaux S., Tielens A. G. G. M. H2 Formation on grain surfaces // As-trophys. J. 2004. - Vol. 604. - Pp. 222-237.

128. Gillespie D. T. A rigorous derivation of the chemical master equation // Physica A Statistical Mechanics and its Applications. — 1992.— Vol. 188. Pp. 404-425.

129. Баруча-Рид А. Т. Элементы теории марковских процессов и их приложения. — М.: Наука, 1969.

130. Gillespie D. Т., Petzold L. R. Improved leap-size selection for accelerated stochastic simulation //J. Chem. Phys. — 2003. — Vol. 119. — Pp. 82298234.

131. Ruffle D. P., Herbst E. New models of interstellar gas-grain chemistry — I. Surface diffusion rates // Mon. Not. R. Astron. Soc. 2000. - Vol. 319. -Pp. 837-850.

132. Schilke P., Keene J., Le Bourlot J. et al. Atomic carbon in a dark cloud: TMC-1 // Astron. Astrophys. 1995. - Vol. 294. - Pp. L17-L20.

133. Pratap P., Dickens J. E., Snell R. L. et al. A study of the physics and chemistry of TMC-1 // Astrophys. J. 1997. - Vol. 486. - P. 862.

134. Turner В. E., Herbst E., Terzieva R. The physics and chemistry of small translucent molecular clouds. XIII. The basic hydrocarbon chemistry // Astrophys. J., Suppl. Ser. 2000. - Vol. 126. - Pp. 427-460.

135. Benson P. J., Myers P. G. A survey for dense cores in dark clouds // Astrophys. J., Suppl. Ser. 1989. - Vol. 71. - Pp. 89-108.

136. Wakelam V., Herbst E., Selsis F. The effect of uncertainties on chemical models of dark clouds // Astron. Astrophys. — 2006.— Vol. 451.— Pp. 551-562. arXiv:astro-ph/0601611.

137. Garrod R. T., Wakelam V., Herbst E. Non-thermal desorption from interstellar dust grains via exothermic surface reactions // Astron. Astrophys. — 2007. — Vol. 467. — Pp. 1103-1115. axXiv:astro-ph/0703188.

138. Pavlyuchenkov Y., Wiebe D., Launhardt R., Henning T. CB 17: inferring the dynamical history of a prestellar core with chemodynamical models // Astrophys. J. — 2006. — Vol. 645. — Pp. 1212-1226. arXiv:astro-ph/0603600.

139. Aikawa Y. Cold CO gas in protoplanetary disks // Astrophys. J., Lett. — 2007. — Vol. 656. — Pp. L93-L96. arXiv:astro-ph/0701366.