Цифровой журнал «Компьютерра» № 19

Практически все эти молекулы не распределены между звёздами равномерно, а собраны в гигантские межзвёздные молекулярные облака. Массы самых больших облаков достигают миллионов солнечных масс, а размеры исчисляются десятками парсеков (1 парсек = 3,26 светового года). Полная масса молекулярного межзвёздного газа в нашей Галактике составляет несколько миллиардов солнечных масс. Именно в наиболее плотных областях этих облаков и происходит процесс рождения новых звёзд и планетных систем. Четыре с половиной миллиарда лет назад в одном из подобных плотных газовых (точнее, газо-пылевых) сгустков возникло и наше Солнце.

Именно исследование формирования звёзд и планет является одним из основных стимулов к развитию астрохимии. Дело в том, что главной молекулой в молекулярных облаках является молекула водорода. По сути, все остальные молекулы — лишь едва различимая примесь на фоне изобилия молекулярного водорода. Но вот беда — именно эта самая распространённая молекула лишена (в силу симметричной структуры) сильных вращательных и колебательных переходов.

Иными словами, газ, состоящий из молекулярного водорода, в условиях межзвёздных молекулярных облаков практически не светится, то есть ненаблюдаем. Следующая же по распространённости молекула — оксид углерода — по содержанию уступает молекуле водорода в 10000 раз. Фактически, в самом лучшем случае, наблюдая межзвёздный молекулярный газ, мы видим одну молекулу из десяти тысяч. Конечно, спектр даже простой молекулы СО содержит немало линий. У более же сложных молекул, например у метанола, количество линий превышает несколько сотен. Анализ этих линий позволяет определить температуру и плотность газа, параметры поля излучения, в которое погружены эти молекулы... Но насколько эта информация имеет отношение к молекулярному водороду?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо, во-первых, проводить наблюдения линий как можно большего количества молекул и с максимально возможным угловым разрешением. Во-вторых, необходимо строить максимально подробные физико-химические модели межзвёздного вещества. Мы знаем, что разные молекулы населяют разные области молекулярных облаков (это не относится, конечно, к вездесущему, но ненаблюдаемому молекулярному водороду).

Например, так называемые дозвёздные ядра, то есть, плотные сгустки вещества, в которых только начался процесс гравитационного сжатия (предполагается, что он закончится рождением звезды), имеют «луковичную» химическую структуру: в плотном центре сосредоточены соединения азота (NH₃, N₂H+), а в более разреженной внешней оболочке обильны соединения углерода (CO, CS, HCO+). Химические модели предсказывают, что баланс между углеродосодержащими и азотосодержащими соединениями меняется со временем, что открывает возможность оценки возраста дозвёздного ядра по его молекулярному составу. Благодаря эффекту Доплера, по относительному сдвигу линий различных молекул можно восстанавливать характер движения вещества в облаке. Собственно говоря, именно анализ спектров этих объектов и позволил сделать вывод о том, что они испытывают глобальное сжатие, предшествующее рождению звезды.

Перспективы развития наблюдательной техники вполне радужные. В мире действует немало радиотелескопов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, позволяющих получать спектры межзвёздных облаков с высоким разрешением по частоте. В 2009 году Европейским космическим агентством был запущен космический телескоп субмиллиметрового диапазона «Гершель», также в значительной степени ориентированный на изучение молекулярного состава межзвёздной среды и в первую очередь — областей звездообразования.

Наконец, буквально через несколько лет вступит в строй флагман субмиллиметровой и миллиметровой астрономии — интерферометрическая система ALMA (Европейская Южная обсерватория). Эта система из 50 антенн позволит получать изображения не только рождающихся звёзд, но и рождающихся планет, а также обнаруживать спектральные линии, на несколько порядков более слабые, чем можно наблюдать сейчас.

Несколько хуже обстоят дела с моделями. Собственно говоря, с самими моделями особых проблем нет — быстродействие современных компьютеров позволяет легко моделировать одновременное течение многих тысяч реакций, связывающих между собой сотни различных видов молекул (а также атомов и ионов). Но вот параметры многих из этих реакций известны пока крайне плохо, если вообще известны. Поэтому основные усилия в этом направлении сосредоточены на воспроизведении наиболее плохо исследованных реакций в лабораторных условиях. Сделать это очень непросто, поскольку «плотный» межзвёздный газ на самом деле существенно более разрежен, чем лучший лабораторный вакуум.