Ученые создали электронную базу данных спектральных линий циан-радикала — молекулы, присутствующей в межзвездном пространстве. Авторы представили информацию о спектральных линиях в широком диапазоне длин волн, благодаря чему полученные данные можно будет использовать для исследования состава комет и межзвездных облаков и определения температуры реликтового космического излучения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Supplement Series.
В некоторых космических объектах присутствует циан-радикал — соединение из одного атома углерода и одного атома азота. Он может существовать в разных электронных состояниях, наиболее исследованы из которых три. Есть так называемое основное состояние, при котором электроны занимают энергетически наиболее выгодные положения в электронной оболочке молекулы. Кроме него, существует два других состояния — первое и второе возбужденное, — когда электроны «перепрыгивают» на более высокие по энергии уровни. Определять, какая доля молекул находится в каждом из состояний, можно, измеряя, как циан-радикал испускает свет (или излучение иных диапазонов), то есть по его спектрам испускания.
В зависимости от условий окружающей среды, в частности температуры, интенсивность линий в спектре циан-радикала значительно изменяется. Это, в свою очередь, указывает на изменение доли радикалов в разных электронных состояниях. Поэтому с их помощью можно отслеживать процессы, которые происходят в межзвездном пространстве. Однако для проведения диагностики нужно четко знать, как именно изменяется интенсивность спектральных линий при разных условиях.
Исследователи из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) с коллегами из Университетского колледжа Лондона (Великобритания) создали базу данных спектральных линий циан-радикала, пригодную для высокоточного моделирования свойств радикала при различных температурах окружающей среды.
Используя квантово-химические вычисления, авторы описали электронную структуру циан-радикала. Затем, опираясь на нее, исследователи нашли вероятности переходов между различными его состояниями. В результате работы химики получили математическую численную модель, с помощью которой можно описать спектры радикала в диапазонах температур от абсолютного нуля (-273°С) до 15000°С. Используя эту модель, можно будет по соотношению интенсивностей линий в спектре определить температуры и химический состав самых разных объектов, например комет и межзвездных облаков.
«Определять распределение циан-радикала в космосе позволяет спектральный анализ — подход, при котором в обсерваториях с помощью спектрометров отслеживают, в каких диапазонах длин волн и с какой интенсивностью излучает тот или иной объект. Эти спектры отличаются у радикала, находящегося в разных состояниях. Состояние, в свою очередь, определяется средой, в которой находится радикал, поэтому по спектрам можно понять, какие процессы идут в исследуемом объекте. Полученные нами численные модели позволят изучить свойства космических объектов, в которых присутствует циан-радикал», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Сергей Козлов, старший научный сотрудник кафедры физической химии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Авторы разместили данные в открытом доступе на сайте проекта ExoMol, поэтому специалисты по всему миру могут использовать их для решения разного рода фундаментальных задач.
«В дальнейшем мы планируем детальнее исследовать применимость модели для описания спектров изотопологов — молекул циан-радикала, в которых атомы азота и углерода представлены не основными изотопами — вариантами атома с определенной массой, — а более редкими», — рассказывает Сергей Козлов.
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм