Межзвездная среда представляет собой разреженный газ и пыль, заполняющие пространство между звёздами. Основными компонентами являются водород (атомарный H и молекулярный H₂), гелий, а также следовые количества сложных молекул, таких как CO, OH, H₂O, NH₃, CH₄ и органические молекулы. Средняя плотность газа колеблется от 1 до 10⁶ частиц на кубический сантиметр, а температуры — от нескольких десятков до сотен кельвинов. Фотохимические процессы в этих условиях определяются воздействием ультрафиолетового (UV) и космического излучения, влияющего на химическую эволюцию среды.
Главными источниками ультрафиолетового излучения являются горячие молодые звёзды типа O и B. Дальнейшее влияние оказывают космические лучи и рентгеновское излучение от активных областей звёздной среды. Энергия фотонов, поступающих в межзвёздный газ, может вызывать фотоионизацию, фотодиссоциацию молекул и возбуждение электронных состояний атомов и молекул. Частота таких процессов напрямую зависит от спектрального состава излучения и оптической прозрачности среды.
Фотодиссоциация является ключевым процессом разрушения молекул под воздействием UV-фотонов. Основные механизмы включают прямую фотодиссоциацию и непрямую, через возбуждённые состояния с последующим распадом. Примером является диссоциация молекулярного водорода:
[ _2 + h + ]
Для CO характерна селективная фотодиссоциация через линии Лайман-Бандов, где диссоциация происходит при поглощении фотонов в узких спектральных диапазонах UV. Эффективность фотодиссоциации определяется коэффициентами поглощения и селективным самозатенением молекул в плотных областях облаков.
Фотоионизация — процесс удаления электрона из атома или молекулы под действием фотона с энергией, превышающей энергию ионизации. В межзвёздной среде это приводит к формированию плазмы ионов и свободных электронов, которые участвуют в ионно-молекулярной химии. Например:
[ + h^{+} + e^{-}]
[ _2 + h_2^{+} + e^{-}]
Фотоионизация создает предельно важные реактивные ионы, ускоряющие каталитические цепные реакции, способствующие формированию сложных органических молекул.
Фотохимические процессы в межзвёздной среде не только разрушают молекулы, но и инициируют синтез новых соединений. Свободные радикалы, образующиеся при фотодиссоциации, вступают в реакции с другими молекулами, формируя сложные органические и неорганические соединения. В холодных молекулярных облаках происходит фотохимия на поверхности пылевых частиц, где UV-возбуждение способствует миграции и соединению молекул, приводя к образованию водяного льда, аммиака и сложных органических молекул, включая предшественники аминокислот.
Молекулярные облака имеют слоистую структуру фотохимического воздействия. Внешние слои облака подвергаются интенсивному UV-излучению, где преобладает фотодиссоциация и фотоионизация. Глубже в облако проникает лишь часть излучения, создавая промежуточные слои с активной радикальной химией. В ядре облака фотонное воздействие минимально, преобладают термические и космические процессы, однако наличие UV-фотонов всё же инициирует ключевые реакции, определяющие химическую эволюцию и предзвёздную молекулярную структуру.
Фотохимические процессы напрямую влияют на условия звёздообразования. Фотоионизация водорода и других лёгких элементов формирует H II-регионы, создавая давление плазмы, которое может инициировать коллапс соседних областей облака. Диссоциация молекул уменьшает охлаждение газа, влияя на термодинамическое состояние облака. Одновременное формирование сложных молекул и радикалов обеспечивает химическое разнообразие, необходимое для формирования планетарных систем и органических соединений, предшествующих жизни.
Современные модели межзвёздной химии учитывают детализированные фотохимические сети, включающие сотни реакций фотодиссоциации, фотоионизации и радикальной химии. Используются перенос излучения, селективная самозащита молекул и влияние космических лучей. Результаты моделирования показывают пространственно-энергетическую неоднородность химических процессов и позволяют прогнозировать распределение ключевых молекул, таких как H₂O, CO, NH₃ и органических соединений в различных типах облаков.
Лабораторные эксперименты с ультрахолодными газами и пылевыми аналогами позволяют воспроизводить фотохимию межзвёздной среды, измерять коэффициенты фотодиссоциации и фотоионизации, а также исследовать поверхностные реакции на частицах. Астрономические наблюдения в UV и инфракрасном диапазоне фиксируют спектральные линии молекул и радикалов, подтверждая ключевую роль фотохимии в эволюции межзвёздного вещества. Совместное использование лабораторных данных и наблюдений обеспечивает комплексное понимание фотохимических процессов и их влияния на химическую эволюцию галактик.