Авторы и права: Дель Фре и др.
Десорбция льда CO, вызванная ультрафиолетовым (УФ) излучением, — это явление, которое происходит в некоторых холодных частях Вселенной и которое также часто воспроизводится в лабораторных условиях. Хотя это явление сейчас хорошо документировано, молекулярные механизмы, лежащие в его основе, еще полностью не раскрыты.
Исследователи из Университета Лилля и Университета Сорбонны в рамках французского проекта ANR PIXyES под руководством Матье Бертена недавно провели исследование, изучающее этот механизм посредством сочетания экспериментов и молекулярного моделирования. В их статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, описывается трехэтапный механизм, который может привести к индуцированной УФ-фотонами десорбции льда CO.
«В межзвездной среде (ISM) молекулярная материя в основном находится в самых холодных и плотных регионах», — рассказали Phys.org Морис Моннервиль и Жан-Юг Фийон, ведущие авторы исследования.
«Эти области являются звездными рассадниками, где оживают звезды и планеты, подобно внутренним частям протопланетных дисков и дозвездных облаков. Около 200 различных видов молекул, начиная от простых, таких как водород и вода (H2, H2O, CO, …) до более сложных, таких как метанол (CH3OH), сосуществующих с крошечными зернами силикатов и углерода».
В некоторых из самых холодных регионов Вселенной с чрезвычайно низкими температурами (около 10 К) все молекулы (кроме H2) прилипают к поверхности крошечных зерен, образуя ледяные слои. Эти слои в основном состоят из конденсированной воды и различных других веществ, таких как окись углерода (CO) и диоксид углерода (CO2).
«Эти межзвездные льды действуют как важнейший резервуар молекулярной материи в холодных регионах Вселенной», — объяснили авторы.
«В этих самых холодных регионах были обнаружены аномальные содержания в газовой фазе, хотя виды должны были замерзнуть на пылинках из-за чрезвычайно низкой температуры. Так как же можно объяснить десорбцию этих молекул в холодных регионах космоса? «Чтобы понять эти неожиданные количества, необходимо явление нетермической десорбции, объясняющее обнаружение этих молекул в газовой фазе».
Одним из процессов, который может объяснить высокое содержание газообразных молекул в частях Вселенной с особенно низкими температурами, является десорбция, вызванная УФ-фотонами из окружающего звездного излучения, фильтрующимися через атомарный водород (7–13,6 эВ). Таким образом, многие физики в последнее время очень глубоко исследуют это явление, в частности УФ-фотодесорбцию CO.
«Льды CO служат потенциальной отправной точкой для сложной химии, ведущей к образованию метанола и последующей весьма разнообразной органической химии», — говорят авторы. «По этим причинам ВУФ-фотодесорбция твердого CO на протяжении десятилетий была предметом большого количества экспериментальных исследований, направленных на предоставление астрохимическому сообществу абсолютных результатов десорбции».
Предыдущие исследовательские усилия исследовательской группы Жана-Юга Фийона в лаборатории LERMA в Университете Сорбонны обнаружили доказательства, свидетельствующие о том, что механизм десорбции CO, вызванный УФ-излучением, в значительной степени является косвенным. По сути, это означает, что десорбирующая молекула не обязательно поглощает фотон, а скорее, что этот процесс десорбции в первую очередь обусловлен передачей энергии между возбужденной и поверхностной молекулой.
Однако до сих пор этот механизм десорбции оставался плохо изученным, поскольку ни теоретические, ни экспериментальные работы не смогли объяснить все связанные с ним молекулярные свойства. Таким образом, основной целью недавнего исследования Моннервилля и его коллег было охарактеризовать механизм, уделяя особое внимание природе передачи энергии, о которой они ранее сообщали, и свойствам десорбированных молекул.
«Мы разработали согласованную стратегию теории и экспериментов», — сказал Моннервиль. «Команда PCMT в Университете Лилля использовала Ab Initio Molecular Dynamics (AIMD), сложную смешанную квантово-классическую технику моделирования, основанную на теории функционала плотности (DFT), для дальнейшего выяснения механизма передачи энергии».
«Одновременно парижская команда выполнила новую импульсную лазерно-индуцированную фотодесорбцию при выбранной энергии возбуждения в ВУФ-диапазоне с использованием установки сверхвысокого вакуума SPICES, предоставив данные о колебательном и поступательном распределении энергии фотодесорбированных молекул CO, которые можно напрямую сравнить с результатами AIMD. «
Моделирование, выполненное частью этой исследовательской группы из Университета Лилля, показало, что десорбция льда CO, вызванная УФ-излучением, основана на механизме, состоящем из трех ключевых стадий. На первой из этих стадий возбужденная молекула колеблется внутри льдов, сохраняя изначально заложенную в ней колебательную энергию.
«Впоследствии возбужденная молекула и одна или две молекулы CO в ее окрестностях начинают взаимно притягиваться и, следовательно, приобретать поступательную энергию, что приводит к их столкновению посредством «удара», — объяснил Моннервилль.
«Затем сталкивающиеся молекулы инициируют движение и взаимодействуют с другими молекулами внутри льда, что приводит к эффекту каскадной передачи энергии. По сути, поступательная и вращательная энергия, приобретенная на втором этапе, передается поверхностным молекулам CO, что позволяет им преодолеть энергию связи. агрегата и десорбции».
Примечательно, что три ключевых шага, изложенные Моннервиллем и его сотрудниками, частично соответствуют известному механизму ДИЕТЫ (десорбция, индуцированная электронным переходом). Ранее предполагалось, что этот механизм является возможной причиной десорбции аналогов межзвездного льда, вызванной ВУФ-облучением, однако это исследование является первым, которое подробно описывает его с помощью моделирования, которое также согласуется с экспериментальными наблюдениями.
«Ключ к успешному описанию этого сложного процесса и достижению идеального согласия с экспериментальными наблюдениями лежит в использовании интенсивных вычислительных методов моделирования, которые позволили более точно описать эту сложную динамическую систему», — сказал Моннервиль.
«Методы AIMD сыграли решающую роль в точной характеристике взаимодействия между колебательно-возбужденной молекулой CO и ее соседями, инициируя процесс десорбции — аспект, в котором предыдущие теоретические исследования потерпели неудачу».
Недавняя работа этой группы исследователей является значительным вкладом в изучение молекулярных процессов в ультрахолодных средах. Примечательно, что он впервые представил детальное моделирование механизма десорбции льда CO, вызванного УФ-излучением, которое идеально согласуется с экспериментальными наблюдениями.
«Наше открытие трехэтапного механизма (колебательное возбуждение, удар, десорбция) позволяет нам объяснить сложный процесс относительно простыми словами», — говорят авторы. «На самом деле именно простота этого механизма делает его важным. Вполне вероятно, что этот основной механизм может быть использован астрофизическим сообществом для теоретического объяснения десорбции, уже наблюдаемой в более сложных межзвездных льдах».
В будущем экспериментальные методы и инструменты моделирования, используемые командами университетов Лилля и Сорбонны, могут быть использованы для изучения фотодесорбции более широкого спектра сложных ледяных смесей. В настоящее время исследователи также работают над моделью поверхности потенциальной энергии (PES), основанной на машинном обучении, обученной с использованием данных, собранных в ходе первоначальных расчетов молекулярной динамики (DFT).
«Эта многомерная нейронная сеть PES позволит нам выполнять больше и дольше молекулярно-динамическое моделирование процесса десорбции CO на более репрезентативной модели поверхности льда CO, при этом значительно сокращая вычислительные затраты», — добавил Моннервилль.
«Кроме того, мы проводим новые экспериментальные и теоретические исследования более сложных аналогов межзвездного льда, таких как CO2, CO:N2 и CO:NO, используя аналогичные методики. Наконец, будет проверен новый экспериментальный подход, чтобы выявить угловое распределение Это будет достигнуто путем внедрения детектора отображения карты скоростей, мощного метода обнаружения, хорошо известного в газофазных приложениях, хотя его разработка является сложной задачей для изучения десорбированных молекул с холодных подложек».
