Курсовая работа по физике на тему Химические процессы в гигантских молекулярных облаках

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Открытие гигантских молекулярных облаков (ГМО) во второй половине 70-х годов нашего века существенно изменило представления ученых о роли межзвездной среды в эволюции Галактики. Как это обычно бывает, открытие объектов нового типа, с одной стороны, позволило решить некоторые накопившиеся проблемы, а с другой — поставило исследователей перед вопросом о происхождении и эволюции новых объектов. Однако в случае с молекулярными облаками «баланс проблем» оказался явно положительным: космогоническая роль этих замечательных объектов чрезвычайно важна, а существующие пока неясности в вопросе об их происхождении, безусловно, носят временный характер. Для большинства астрономов открытие ГМО оказалось полной неожиданностью, хотя в общих чертах оно было предсказано около 40 лет назад. За прошедшее с момента их открытия десятилетие ГМО «проникли» буквально повсюду: идет ли речь о формировании звезд или о разрушении звездных скоплений, о природе спиральных рукавов галактик или о причине активности их ядер — важнейшим действующим лицом при этом многие астрономы считают теперь именно ГМО. Даже для объяснения строения внешних областей нашей Солнечной системы и особенностей движения в ней комет привлекаются данные о молекулярных облаках.
Молекулярное облако, иногда называемое также звёздная колыбель (в случае, если в нём рождаются звёзды), — тип межзвёздного облака, чья плотность и размер позволяют в нём образовываться молекулам, обычно водорода (H2).
Молекулярный водород трудно зарегистрировать при помощи инфракрасных или радионаблюдений, поэтому для определения наличия H2 используют другую молекулу – CO (монооксид углерода). Соотношение между светимостью CO и массой H2, как полагают, остаётся постоянным, хотя есть причины сомневаться в правдивости этого в некоторых галактиках.
Цель исследования – изучить и проанализировать химические процессы в гигантских молекулярных облаках.
Задачи исследования:
1) изучить значение, типы и особенности молекулярных облаков4
2) проанализировать химические процессы в гигантских молекулярных облаках.
Объект исследования – гигантские молекулярные облака.
Предмет исследования – химические процессы.
Работа по структуре состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.

 
1 Гигантские молекулярные облака

1.1 Значение и особенности молекулярных облаков

Область повышенной плотности вещества в межзвездной среде, отличающаяся практически полной непрозрачностью для оптического и ультрафиолетового излучения и по этой причине имеющая в основном молекулярный состав (в прозрачных областях межзвездной среды жесткое излучение разрушает молекулы). Главная составляющая таких облаков - молекулы водорода (H2), но присутствуют и более сложные молекулы. Плотность вещества в молекулярном облаке 100-500 молекул/см3, что в сотни раз выше плотности межоблачного вещества. Температура внутри облака менее 100 К, а в наиболее плотных его частях всего 5-10 К. Особо выделяют гигантские молекулярные облака, имеющие характерный радиус около 20 пк и массу порядка миллиона масс Солнца. В диске нашей Галактики несколько тысяч таких облаков; в их наиболее плотных частях - ядрах - из газа формируются звезды и планеты .
Выяснив, что звезды Млечного Пути рождаются в настоящую эпоху, мы тем самым однозначно определяем источник «исходного сырья» для их «строительства». Галактика, по сути, состоит из звезд и межзвездного газа, поэтому звезды должны образовываться из газа — больше просто не из чего. Точнее, звезды должны рождаться там, где межзвездный газ наиболее плотен — в галактических молекулярных облаках (МО). На справедливость этого предположения указывают конкретные наблюдательные данные: молодые звезды и их скопления практически всегда связаны с обширными облаками межзвездного водорода.
Поэтому вопрос о начальной стадии звездообразования — это на самом деле вопрос о возникновении молекулярных облаков. В настоящее время примерно половина объема Галактики заполнена горячим разреженным газом, плотность которого составляет около тысячи частиц на кубометр, а его температура достигает миллиона Кельвинов. Еще половину занимает так называемая «теплая ионизованная и нейтральная среда» — частично ионизованный газ с температурой несколько тысяч Кельвинов и плотностью около одной частицы на кубический сантиметр (или же миллион на кубометр). И все это горячее и разреженное вещество начинает время от времени сжиматься, превращаясь в облака, плотность которых превышает 108 частиц на кубический метр при температуре ниже 100°С (373 К). Высокая плотность и низкая температура создают благоприятные условия для перехода газа из атомарной в молекулярную форму, и в первую очередь — для образования молекулярного водорода. Поэтому такие межзвездные облака и называют молекулярными. В них сосредоточена примерно половина всего межзвездного вещества, при этом занимаемая ими доля объема Галактики — не более 1-2% .
В наиболее плотных частях облаков — ядрах — плотность превышает 1011 частиц/м3, а температура опускается до нескольких Кельвинов. Именно эти ядра и считаются «звездными колыбелями» — зародышами одиночных звезд или звездных групп (скоплений и ассоциаций). Это подтверждается тем, что во многих подобных ядрах обнаруживаются компактные инфракрасные источники — пылевые оболочки вокруг протозвезд, нагретые их излучением. Причины образования МО из разреженного атомарного вещества пока неясны. Понятно, что вызвать его должен некий крупномасштабный процесс: чтобы получить молекулярное облако с массой в миллион масс Солнца (встречаются облака и более «тяжелые»), нужно собрать разреженное вещество из объема поперечником в тысячи световых лет. Увеличение концентрации газа в спиральных рукавах галактик заставляет предположить, что образование облаков отчасти стимулируется прохождением галактических волн плотности . С другой стороны, МО встречаются не только в рукавах, но и в «межрукавном» пространстве, и на больших расстояниях от главной галактической плоскости. Поэтому они вполне могут образовываться и под влиянием других процессов — например, столкновений крупномасштабных хаотических газовых течений .
В 70-80-е годы прошлого века МО считались довольно долгоживущими образованиями, время существования которых измеряется десятками миллионов лет. Оценки их масс, температур и размеров показывают, что одно только тепловое давление не способно противодействовать их «самогравитации»: эти облака просто обязаны катастрофически сжиматься под действием собственного веса. Поскольку конечный результат такого сжатия — появление звезд, то темп перехода газа в звезды в Галактике должен составлять порядка сотен масс Солнца в год. На самом же деле он на порядок меньше — это значит, что в облаках, помимо теплового давления, имеется еще какая-то сила, удерживающая их от сжатия. Этой силой на протяжении многих лет считалось магнитное поле. Степень ионизации вещества МО не превышает 10-4, но и ее вполне достаточно, чтобы магнитное поле было почти «вморожено» в него. В таких условиях упругость магнитных силовых линий также препятствует гравитационному сжатию.
Правда, при этом возникает вопрос: почему звезды все-таки образуются? Ответ на него был найден еще в 1950-е годы и кроется в слове «почти». Представьте себе газово-пылевой сгусток в молекулярном облаке: собственная гравитация стремится сжать его, но этому препятствует