Учёные исследовали роль пористых пылевых кластеров в формировании сложных соединений в протопланетных дисках

В лаборатории термодинамики и математического моделирования природных процессов Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского Российской академии наук (ГЕОХИ РАН) провели исследование структуры пылевых фрактальных кластеров в протопланетных дисках, сообщили в Минобрнауки России. Математическое моделирование показало, что эти кластеры напоминают адсорбенты, носители вещества и катализаторы из химической технологии.

Их развитое поровое пространство способствует активному участию в химической эволюции вещества, т.к. они могут участвовать в образовании сложных веществ, которые не могли бы образоваться без участия кластеров. Пористые кластеры могут захватывать молекулы из холодных внешних областей диска и транспортировать их в теплые внутренние регионы, где формируются сложные вещества. Это открывает новые подходы к изучению химической эволюции дисков и роли пылевых кластеров в формировании предорганических соединений. Результаты опубликованы в журнале Solar System Research.

Основные выводы исследования:

1. Пористая структура пылевых кластеров как аналог катализаторов:

Компьютерное моделирование показало, что при эволюции твердотельной составляющей в газово-пылевом протопланетном диске образуются пылевые кластеры разнообразных размеров. Эти кластеры имеют хорошо развитую внутреннюю структуру, которая напоминает структуру пористых материалов, используемых в органическом синтезе, таких как адсорбенты, катализаторы и носители вещества. Подобная структура позволяет пылевым кластерам захватывать и удерживать сложные предорганические молекулы (на рисунке).

2. Эволюция порового пространства пылевых кластеров:

Пылевые фрактальные кластеры проходят через несколько этапов эволюции, включая перестройку частиц под воздействием электростатических сил, механических напряжений и испарения летучих веществ при пересечении «снеговых линий». По мере перемещения кластеров в более тёплые области, изменяется их поровое пространство, что увеличивает площадь поверхности, способной удерживать захваченные соединения. Эти процессы изменяют структуру порового пространства, открывая каналы для взаимодействия газовой составляющей и захваченных соединений.

3. Роль пылевых кластеров в химической эволюции протопланетных дисков:

Наблюдательные данные, полученные с помощью инструментов, таких как Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка (ALMA), подтверждают наличие сложных предорганических соединений в протопланетных дисках. Удерживаемые в поровом пространстве кластеров предорганические соединения обладают возможностью вступать в реакции, которые не могли бы протекать в свободной газовой среде протопланетных дисков.

Особенности структуры пылевых фрактальных кластеров позволяют предположить, что кластеры активно участвуют в химической эволюции газово-пылевых протопланетных дисков. Они захватывают молекулы предорганических соединений, а также такие вещества, как H₂O, CO и другие летучие соединения, и удерживают их на поверхности и в объеме развитого порового пространства. По мере дальнейшей эволюции кластеры транспортируют захваченные вещества в более теплые области, где они могут участвовать в образовании сложных предорганических соединений, которые не могли бы образоваться без участия кластеров.

Значение для науки:

Результаты этого исследования предлагают новые подходы к изучению химической эволюции протопланетных дисков и пониманию роли пылевых кластеров в формировании сложных предорганических соединений. Это может дать более ясное представление о механизмах химической эволюции не только ранней Солнечной системы, но и экзопланетных систем.

О будущих исследованиях:

В рамках дальнейших исследований учёные планируют продолжить изучение структуры и эволюции пылевых кластеров, а также их влияния на химическую эволюцию протопланетных дисков. Будут использоваться наблюдательные данные, полученные современными наземными и космическими аппаратами, что позволит верифицировать предлагаемую модель.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Источник: пресс-служба Минобрнауки России.