Межзвездная среда (МВС) представляет собой разреженный газ и пыль, заполняющие пространство между звездами. Плотность частиц здесь крайне мала и составляет от 10−4 до 106 частиц на кубический сантиметр, что значительно ниже плотности земной атмосферы. Основные компоненты межзвездного газа — водород (около 70% по массе), гелий (около 28%) и примеси тяжелых элементов (2%).
Температурный диапазон межзвездной среды чрезвычайно широк: от нескольких десятков кельвинов в холодных молекулярных облаках до миллионов кельвинов в разреженных горячих областях. Состояние вещества здесь определяется балансом между нагревом, обусловленным ультрафиолетовым излучением звезд, космическими лучами и механическим сжатием, и охлаждением через излучение линий атомов и молекул.
Электромагнитная прозрачность МВС сильно зависит от концентрации пыли. Пыль способна эффективно поглощать и рассеивать ультрафиолетовое и видимое излучение, что приводит к формированию темных областей на астрономических фотографиях. В инфракрасном диапазоне пыль, наоборот, излучает тепло, позволяя детектировать скрытые структуры.
Молекулярные облака представляют собой наиболее холодные и плотные регионы межзвездной среды. Их плотность обычно колеблется от 102 до 106 частиц на см³, а температуры — от 10 до 50 К. Основная масса облаков приходится на молекулярный водород H2, но из-за отсутствия дипольного момента он плохо излучает и наблюдается косвенно через излучение других молекул, таких как CO, NH₃ и H₂O.
Ключевые свойства молекулярных облаков:
Молекулярные облака подразделяются на малые компактные облака (Bok globules) и гигантские молекулярные облака (GMC). Bok globules характеризуются размерами 0,1–2 пк и массой до нескольких сотен солнечных масс, они часто являются очагами образования одиночных или нескольких звезд. GMC могут достигать десятков или сотен пк и являются колыбелью целых звездных скоплений.
Температура молекулярных облаков, близкая к 10–20 К, создает условия для криофизических процессов, критически важных для химии и эволюции облака.
Адсорбция и десорбция молекул: при таких низких температурах молекулы водорода, кислорода, углерода и азота конденсируются на поверхности пылевых зерен, образуя криооболочки. Эти слои служат матрицей для каталитических реакций, ведущих к синтезу более сложных органических молекул, включая предбиологические соединения.
Сверхтонкая термодинамическая активность: при температурах 10–20 К кинетическая энергия молекул настолько мала, что реакции с барьером активации проходят исключительно на поверхности пыли или через туннельные квантовые эффекты. Это объясняет образование молекул H₂ в условиях, где газовая фаза практически неэффективна.
Замерзание и фазовые переходы: пылевые зерна в молекулярных облаках служат центрами кристаллизации и формирования аморфных льдов. Аморфные водяные льды, СО, СО₂ и NH₃ образуют тонкие криооболочки, которые могут менять состав под действием космического излучения, приводя к радиационно-индуцированной химии.
Магнитные поля в молекулярных облаках обычно имеют напряженность от 10 до 100 мкГс. Они играют ключевую роль в динамике облаков:
Турбулентность проявляется в виде случайных скоростей молекул, превышающих тепловые. Она поддерживает облако от немедленного коллапса, но одновременно способствует фрагментации на плотные ядра, где начинается активная звездообразующая деятельность.
Непосредственное измерение свойств молекулярных облаков требует использования инфракрасных и радиотелескопов:
Эти методы в совокупности позволяют строить трехмерные карты плотности, температуры и химического состава молекулярных облаков, выявлять очаги криогенной химии и звездообразования.
Низкие температуры молекулярных облаков напрямую влияют на:
Эти процессы делают молекулярные облака идеальной лабораторией для изучения криохимии, квантовых туннельных реакций и механизмов формирования звезд и планет.