1. Trang chủ >
  2. Luận Văn - Báo Cáo >
  3. Thạc sĩ - Cao học >
Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 1. Tổng quan về vật chất trong môi trường liên sao (ISM) và sự tương tác của chúng với môi trường

Chương 1. Tổng quan về vật chất trong môi trường liên sao (ISM) và sự tương tác của chúng với môi trường

Tải bản đầy đủ - 0trang

5



Giữa các pha này có một sự cân bằng về áp suất và nhiệt độ, thường được quyết

định bởi từ trường và các dòng chảy hỗn loạn của đám mây vật chất. Trong một môi

trường như vậy, mật độ vật chất rất lỗng.

Dựa trên tiêu chí mật độ, mơi trường liên sao được chia làm hai vùng:

+ Vùng đám mây đặc.

+ Vùng đám mây khuếch tán.

Trong khu vực mây đặc, nhiệt độ thấp hơn, có khoảng 106 phân tử vật chất

trong 1 cm-3. Vùng này là vùng mà các ngôi sao sẽ hình thành nếu xuất hiện một thăng

giáng hấp dẫn ngẫu nhiên. Trong vùng này hydro ở trạng thái trung hòa; có thể nói

rằng đây là khu vực đặc và lạnh của ISM với nhiệt độ T<300 K.

Trong vùng mây khuếch tán, nhiệt độ cao hơn, trong vùng này q trình ion hóa

chiếm ưu thế; mật độ vật chất thấp - khoảng 10-4 phân tử vật chất trong 1 cm-3- và

nhiệt độ cỡ T~ 104 K. Chúng ta có thể thêm vào một vùng nữa gọi là vùng nhiệt động;

vùng này có nhiệt độ cỡ T~ 106 K do bị ảnh hưởng mạnh mẽ từ bức xạ các sao, đôi khi

là một vụ nổ siêu tân tinh.

Người ta cũng có thể chia mơi trường liên sao thành hai khu vực: HI và HII dựa

theo tiêu chí mơi trường trung hòa và mơi trường ion hóa. Khu vực HI được gọi là

vùng ngun tử khí trung hòa liên sao (The Neutral Interstellar Gas). Môi trường này

chiếm phần lớn khối lượng của ISM. Việc mô tả môi trường này dựa trên sự quan sát

của: vạch phát xạ 21 cm của hydro để tìm hiểu nhiệt độ của mơi trường; cấu trúc tinh

tế trong phổ hổng ngoại xa và phổ vạch hấp thụ của ISM để xác định thành phần hóa

học và các thông số vật lý [13]. Vùng HII gọi là khí ion hóa liên sao (The Ionized

Interstellar Gas). Trong vùng này, khí liên sao bị ion hóa do nhiều tác nhân như các tia

cực tím xa đến từ các ngơi sao nóng sáng hoặc ion hóa do tia X và tia vũ trụ gây ra

hoặc ion hóa do va chạm trong những cú sốc (shock). Khu vực đám mây ion hóa

khuếch tán cũng được xem như nằm trong vùng này; ngồi ra còn có các đám mây

nóng liên sao (hot interstellar medium) được cho là nằm gần các ngôi sao hoạt động

mãnh liệt hoặc tàn dư của các vụ nổ siêu tân tinh [13].

Trong môi trường liên sao, 99 phần trăm khối lượng là khí và 1 phần trăm khối

lượng là bụi, chủ yếu là các hạt silicate và graphite có kích thước gần bằng 0,1



6



µm[19]. Trong vùng mây khí có khoảng 89 phần trăm là hydro, 9 phần trăm là heli và

khoảng 2 phần trăm là các nguyên tố nặng hơn [7],[13]. Vùng này gần các ngôi sao

trẻ, quá trình ion hóa chiếm ưu thế do một lượng lớn các tia cực tím đến từ ngơi sao trẻ

mới hình thành. Các electron tái tổ hợp với các ion hydro và phát ra các bức xạ khả

kiến. Các ngôi sao sinh ra và chết đi trong ISM ảnh hưởng tích cực đến sự tiến hóa của

các phân tử bằng những tương tác vật lý trong một thang đo thời gian lớn.



Hình 1.1.Mơ hình sự phân bố vật chất trong mơi trường liên sao.

Bảng 1.1.Thành phần của môi trường liên sao.



1.1.2Vật chất trong môi trường liên sao

Trong môi trường liên sao vật chất tồn tại đa phần ở dạng khí và một phần là

bụi. Các vật chất trong ISM bao gồm cả hữu cơ và vô cơ. Những chất này được phát

hiện bằng phương pháp quang phổ. Khi chuyển đổi trạng thái của điện tử hoặc chuyển

đổi các chuyển động quay và dao động, chúng sẽ phát ra các bức xạ đa phần là ở thang

đo hồng ngoại và vô tuyến. Trong thế kỷ trước, ngồi phát hiện các chất vơ cơ trong



7



môi trường liên sao, lần đầu tiên người ta đã nhận thấy sự xuất hiện của các nguyên tử

carbon và chúng có gắn kết với hydro tạo thành những chất hữu cơ từ đơn giản đến

phức tạp. Sự phát hiện ra hợp chất hữu cơ loại Polycyclic aromatic hydrocarbon

(PAHs) ở tinh vân Red Rectangle vào năm 2004 [17], đánh dấu một bước tiến quan

trong trong việc tìm hiểu sự tiến hóa của vật chất trong vũ trụ.

1.1.2.1Một số hợp chất hữu cơ được tìm thấy ngồi vũ trụ

Trước đây, chúng ta chỉ biết đến một số ít các hợp chất hữu cơ ngoài vũ trụ. Cụ

thể là trước những năm 1965 chỉ có ba loại được biết là tồn tại trong môi trường liên

sao gồm: CH, CH+và CN [13]. Chúng được phát hiện dựa vào quang phổ vạch hấp thụ

thu được từ những ngôi sao và môi trường khuếch tán xung quanh ngơi sao đó. Sự ra

đời của kính thiên văn vơ tuyến giúp ích đáng kể cho việc khám phá các phân tử trong

môi trường liên sao, điều này như một cuộc chạy đua từ năm 1965. Trong năm đó, dựa

vào sự thu nhận các vạch phổ phát xạ người ta phát hiện thêm OH, NH3 và H2O [17].

Ngày nay, hàng trăm phân tử được tìm ra trong môi trường liên sao, vỏ của các ngôi

sao lạnh hoặc sao chổi.

Bảng 1.2. Các phân tử được tìm thấy trong môi trường liên sao cho đến năm

2003. Danh sách được cập nhật bởi Allan Wootten (http://www.cv.nrao.edu/

~awootten)}[13]. Một bảng cập nhật đầy đủ và chi tiết hơn cho tới 7/2014 có thể được

tìm thấy ở trang web của viện vật lý, đại học Cologne, Đức (http://www.astro.unikoeln.de/cdms/molecules).



8



Bảng 1.2. Các phân tử được tìm thấy trong mơi trường liên sao cho đến năm 2003

(tiếp theo).



1.1.2.2Polycylic aromatic hydrocarbon

Một dạng vật chất hữu cơ được tìm thấy một cách phổ biến trong các đám mây

vật chất liên sao là Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAHs). PAHs là những hợp chất

hữu cơ chứa hydro và carbon dưới dạng các vòng thơm. Các PAHs được cấu thành từ



9



các vòng thơm chứa 6 nguyên tử carbon, các vòng này kết hợp với nhau thành đám

theo kiểu một cạnh trong vòng này cũng là một bộ phận của vòng khác hoặc chúng nối

với nhau bằng các cầu nối aliphatic. Những hợp chất PAHs trong cuộc sống được tìm

thấy ở các nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khi đốt hoặc là dầu thơng.



Hình 1.2.Một số PAHs đơn giản tính theo chiều kim đồng hồ từ phía trên bên trái lần

lượt là benz(e)acephenanthrylene, pyrene, và dibenz(ah)anthracene.

Các phân tử PAHs là trung tính và không phân cực. Một số PAHs đơn giản

được biết đến như là biphenyl với hai vòng thơm và anthracene với ba vòng cấu thành;

các PAHs có chứa từ 5 đến 6 vòng là phổ biến nhất. Thơng thường các PAHs dưới 6

vòng gọi là PAHs - nhỏ và trên 6 vòng gọi là PAHs - lớn. Trong các thí nghiệm, PAHs

được chế tạo bằng cách trộn các chất hữu cơ loại ankan, olefin hoặc ankin và đốt trong

môi trường thiếu oxy kèm theo một số điều kiện khác để hỗn hợp cháy khơng hồn

tồn. Các mẫu PAHs thường có màu đen, là hỗn hợp của các hydrocarbon và muội

than. Các PAHs thường có nhiều đồng phân, chúng ít tan trong nước và dễ hòa tan

trong dầu. Người ta có thể dùng các phương pháp quang phổ huỳnh quang, quang phổ

hấp thụ tia cực tím, quang phổ sắc kí khí - khối lượng (GC-MS) và một số phương

pháp khác để phát hiện ra sự hiện diện của PAHs. PAHs có nhiều dải hấp thụ và mỗi

dải như vậy tương ứng với những cấu trúc vòng thơm nhất định. Một số vị trí hấp thụ

ứng với các dao động trong liên kết phân tử - được trình bày ở phần cơ chế phát xạ

hồng ngoại - của các phân tử PAHs [5] như sau:

- Chế độ nén giãn (stretching mode) của C-H ở vị trí: 3,3 µm.

- Chế độ nén giãn (stretching mode) của C-C ở vị trí: 6,2 và 7,7 µm.

- Biến dạng uốn (bending mode) của C-H trong mặt phẳng phân tử: 8,6 µm.



10



- Biến dạng uốn (out-of-plane) của C-H lệch ra ngoài mặt phẳng phân tử gồm:

(a) Kiểu đơn (mono): một liên kết C-H nối với một vòng thơm: 11,3 µm.

(b) Kiểu kép (duo): hai liên kết C-H nối với một vòng thơm: 12 µm.

(c) Kiểu bội tam (trio): ba liên kết C-H nối với một vòng thơm: 12,7 µm.

(d) Kiểu bội tứ (quartro): bốn liên kết C-H nối với một vòng thơm: 13,6 µm.



Hình 1.3.Các kiểu gắn kết của C-H vào vòng thơm.

Trong các cơng trình nghiên cứu trước đây cho thấy rằng PAHs hiện hữu dồi

dào trong vũ trụ, xuất hiện trong hầu hết các môi trường liên sao, sao chổi và các đĩa

hành tinh; và chúng được hình thành rất sớm, khoảng vài tỉ năm sau Bigbang

[12],[17]. Những nghiên cứu về tinh vân Red Rectangle đã cho thấy sự hiện hữu đầu

tiên của các PAHs đơn giản là anthracene và pyrene [17]. Trong những nghiên cứu gần

đây các fullerene hay còn gọi là các buckyball đã được tìm thấy trong một số tinh vân

(xem phụ lục A); một số giả thiết đặt ra là: rất có thể nguồn sống nguyên thủy của trái

đất đã được phát triển từ các buckyball đến từ vũ trụ [8].Như vậy, có thể nói rằng các

hợp chất hữu cơ đa vòng thơm (PAHs) phổ biến trong mơi trường liên sao khắp vũ trụ

chính là những tiền đề cho sự sống. Chúng là nguồn nguyên liệu để tổng hợp nên

protein và vật chất di truyền. Viêc nghiên cứu sự tiến hóa của các hợp chất như vậy

trong vũ trụ đóng vai trò thiết yếu để hình thành mơt quan niệm về sự tiến hóa của vật

chất và kết nối đến sự sống đầu tiên. Một số mẫu vật chất hữu cơ được chế tạo nhằm



11



đáp ứng việc mô phỏng PAHs trong mơi trường liên sao và nghiên cứu sự tiến hóa của

chúng do sự ảnh hưởng của tia vũ trụ sẽ được trình bày trong chương II.



Hình 1.4.Tinh vân Red Rectangle chụp từ kính Hubble (nguồn NASA).



1.2Các loại bức xạ trong môi trường liên sao

Trong môi trường liên sao, các vật chất luôn tương tác với các bức xạ. Các bức

xạ có ảnh hưởng chủ yếu là tia vũ trụ, tia cực tím và tia X. Ngồi ra, còn tồn tại các

bức xạ hồng ngoại, ánh sáng khả kiến và các tia X chủ yếu được phát ra trong quá

trình tương tác với tia vũ trụ trong các quá trình thứ cấp hoặc sự chuyển trạng thái kích

thích của các nguyên tử. Các ảnh hưởng do các electron quang điện và va chạm phân

tử cũng có đóng góp vào tương tác với vật chất liên sao.

Tia vũ trụ: bao gồm khoảng 99% là hạt nhân của các nguyên tử và khoảng

chừng 1% các hạt electron; trong số các hạt nhân nguyên tử có tới 90% là các proton,

khoảng 9% là hạt nhân heli và còn lại 1% là hạt nhân của các nguyên tố nặng hơn [13].

Các tia vũ trụ có thể có nguồn gốc từ một vụ nổ siêu tân tinh, quasars hoặc phát ra từ

vùng nhân hoạt động của thiên hà. Tia vũ trụ được chia làm hai loại các tia vũ trụ sơ

cấp và các tia vũ trụ thứ cấp, tức là khi các tia vũ trụ sơ cấp đi vào khí quyển của hành

tinh hay một đám mây khí sẽ va chạm và ion hóa các phần tử vật chất của môi trường

xung quanh và tạo ra các tia thứ cấp có năng lượng bé hơn. Năng lượng của tia vũ trụ

trong khoảng 0.3 GeV, một số tia vũ trụ có năng lượng lớn hơn nữa gọi là tia vũ trụ

năng lượng siêu cao (lên đến 1020eV) [13].



12



Hình 1.5.Độ phong phú của các nguyên tố trong tia vũ trụ (đường in đậm) so

với tia vũ trụ đến từ thiên hà (đường mảnh)[13].

Tia X: Được phát ra trong vùng khí nóng của mơi trường liên sao do các điện

tử bị kích tích nhảy lên các mức năng lượng phía trên, lúc này các electron lớp trên sẽ

chiếm những lỗ trống vừa tạo ra và phát tia X. Sự kích thích này đến từ việc hấp thụ

photon hoặc va chạm với các điện tử tự do. Các tia X cũng đến từ các siêu tân tinh.

Tia gamma: phát ra do sự tương tác của tia vũ trụ với môi trường liên sao theo

ba cơ chế:

(a) Tương tác với hạt nhân: sự va chạm giữa các hạt mang điện là tia vũ trụ và

nhân của các nguyên tử, phân tử trong mơi trường liên sao sẽ giải phóng tia gamma

thơng qua hạt trung gian là meson π0. Xem như các tương tác của proton và hạt alpha

là không đáng kể thì trong tia vũ trụ với đa số là proton và vật chất liên sao sẽ tương

tác theo kiểu p - p và tạo ra các meson π±, π0. Những pion mang điện sẽ phân rã thành

muon (µ±) và neutrino; các muon này lại phân rã thành electron và positron tương ứng

với điện tích của chúng. Các pion trung hòa phân hủy thành hai gamma với năng

lượng bằng nhau [13].

(b) Phát bức xạ hãm (Bremsstrahlung): những điện tử năng lượng cao trong tia

vũ trụ đi vào vùng ảnh hưởng của hạt nhân các nguyên tử trong ISM và bị đổi hướng

do điện trường hạt nhân. Sự thay đổi này như một cơ chế hãm điện tử; một photon

gamma sẽ được tạo ra đúng bằng sự chênh lệch năng lượng sau khi điện tử bị hãm.

Các bức xạ hãm có phổ năng lượng liên tục.



13



(c) Tán xạ ngược Compton: do sự tán xạ khơng đàn hồi của các photon có năng

lượng thấp lên các electron năng lượng cao tạo ra các photon ở mức năng lượng

gamma. Các va chạm này tuân theo hiệu ứng Sunyaev-Zel'dovich (SZ) tức là các

photon - thường đến từ bức xạ phông nền vũ trụ (microwave background radiation) và đi qua ISM bị tán xạ bởi các electron năng lượng cao trong khí và làm chệch hướng

các photon. Hiệu ứng này còn được quan sát thấy ở đĩa bồi tụ của các lỗ đen trong vũ

trụ.

1.2.1Ảnh hưởng của các bức xạ trong ISM đến vật chất trong nó

Trong một mơi trường liên sao thường xảy ra sự cân bằng nhiệt động lực học

giữa các vùng. Chuyển động nhiệt của các hạt trong môi trường liên sao tuân theo

phân bố Maxwell - Boltzmann.

Trong môi trường liên sao thường có những vùng nhiệt độ chênh lệch. Tia vũ

trụ năng lượng thấp là tác nhân chủ yếu để làm nóng vật chất trong môi trường liên

sao. Chúng tương tác với vật chất trong môi trường liên sao bằng cách bỏ năng lượng

mà nó mang dưới dạng động năng để ion hóa và kích thích phân tử; đồng thời còn

tương tác với các điện tử tự do thông qua trường Coulomb. Tia vũ trụ tương tác với vật

chất liên sao không những làm tăng nhiệt độ mà còn bẻ gãy các liên kết của các hợp

chất hữu cơ tồn tại trong mơi trường liên sao, kích thích chúng phát ra các phổ trong

dải bước sóng hồng ngoại.

Tia tử ngoại phát ra từ những ngơi sao mới hình thành cũng tác động lên các hạt

bụi, khí trong mơi trường liên sao. Các photon tử ngoại tương tác với vật chất liên sao,

đột phá các rào thế nguyên tử và tách các electron ra khỏi chúng dưới dạng động năng.

Đối với các hạt vật chất nhỏ, khơng có cấu trúc phức tạp thì q trình tương tác của tia

cực tím là chiếm ưu thế và là nguyên nhân chủ yếu trong việc làm nóng các vùng mây

khí liên sao. Một cơ chế kèm theo là các electron bắn ra do tương tác của tia cực tím

với vật chất; các electron này mang một năng lương bằng năng lương tia cực tím trừ đi

năng lượng ion hóa và thể hiện dưới dạng động năng. Sự va chạm của các điện tử này

trong không gian liên sao sẽ sinh nhiệt. Quá trình này chiếm ưu thế chủ yếu trong vùng



14



HII, nhưng không đáng kể trong vùng mây khuếch tán do sự thiếu thốn các nguyên tử

carbon trung hòa trong vùng này.

Ngồi ra các ngun tử hydro tồn tại trên bề mặt các hạt bụi, hoặc do bị bẻ gãy

liên kết do tương tác với tia vũ trụ cũng có thể gặp nhau và tổ hợp lại thành các phân

tử hydro. Năng lượng sinh ra trong quá trình này khoảng 4,48 eV và tồn tại dưới chế

độ quay và dao động của phân tử hydro. Năng lượng này là năng lượng phát ra do

nhảy mức kích thích của phân tử hydro thơng qua va chạm và sinh nhiệt.

Trong vùng mây khí có mật độ cao, sự chuyển động và va chạm giữa các phân

tử khí với các hạt bụi cũng sẽ được chuyển đổi dưới dạng nhiệt. Cơ chế này gọi là

grain - gas heating, chúng chiếm ưu thế trong vùng tàn dư của những vụ nổ siêu tân

tinh, nơi có nhiệt độ và mật độ vật chất rất cao. Trong những vùng khác có mật độ và

nhiệt độ thấp gồm các phân tử nhẹ, sự phát tia X và ion hóa thứ cấp do các electron

quang điện gây ra cũng góp phần sinh nhiệt cho vật chất. Những ảnh hưởng khác như

gió sao, sự sụp đổ hấp dẫn, các vụ nổ sao cũng gây ra sự thay đổi trong cân bằng nhiệt

động của môi trường liên sao.

1.2.2Cơ chế phát xạ hồng ngoại của vật chất hữu cơ

Các phân tử vật chất hữu cơ thông thường có chứa có chứa rất nhiều các liên

kết hóa học dạng liên kết đơn như C-H, liên kết đôi như C=C và những liên kết bội ba.

Những liên kết này tạo thành dao động phân tử với mức năng lượng khác nhau (xem

hình 1.6). Các kiểu dao động có thể xảy ra là dao động dạng biến dạng nén giãn

(stretching mode), dao động dạng biến dạng uốn (bending mode) và dao động lệch

khỏi mặt phẳng (out-of-plane). Trong quá trình thay đổi trạng thái dao động trong các

liên kết này, chúng có thể hấp thụ hoặc bức xạ ra các photon trong các vùng xác định

(hình 2.3); trong đó chúng tơi quan tâm chủ yếu đến vùng hồng ngoại.

Trong thực nghiệm người ta thu được các dải phổ hồng ngoại của phân tử bằng

máy quang phổ và thấy rằng các phân tử hữu cơ hấp thụ những tần số xác định ứng với

những dao động đặc trưng về cấu trúc hóa học. Những năng lượng ứng với tần số hấp

thụ - như một sự cộng hưởng - rất khớp với các quá trình chuyển trạng thái dao động

của các liên kết hóa học. Hay nói cách khác phân tử hữu cơ chỉ hấp thụ một lượng



15



năng lượng đúng bằng năng lượng cần thiết để chuyển từ trạng thái dao động ban đầu

sang trạng thái dao động có năng lượng cao hơn, q trình phát xạ hồng ngoại có cùng

cơ chế nhưng ngược lại với quá trình hấp thụ. Những mức năng lượng này có thể ước

đốn bởi các thơng số về dạng thế bề mặt phân tử, các kiểu dao động và khối lượng

của phân tử đó.

Một phân tử hữu cơ có thể dao động (hoặc rung - vibrational mode) theo nhiều

kiểu như đã nêu ở trên. Nếu xem xét một phân tử 2 nguyên tử đơn giản thì trong phân

tử này chỉ tồn tại duy nhất một liên kết và theo đó nó chỉ thực hiện được một kiểu dao

động, ta nói chúng có 1 bậc dao động. Nếu phân tử có N ngun tử cấu thành thì

chúng sẽ có nhiều bậc dao động hơn. Cụ thể, nếu chúng là phân tử tuyến tính tức là

các nguyên tử trong phân tử sắp xếp theo một đường thẳng với góc giữa hai liên kết là

1800 thì chúng có 3N-5 bậc dao động; một phân tử phi tuyến có khoảng 3N-6 bậc dao

động [11].



Hình 1.6.Các chế độ dao động của phân tử[11].

Dựa vào phổ hồng ngoại ta có thể xác định cấu trúc liên kết của phân tử dựa

vào các đặc trưng về cường độ và vị trí. Chúng ta cũng có thể xem xét độ mạnh yếu

của một liên kết theo quy tắc Badger:độ mạnh của một liên kết tương quan với tần số

và kiểu dao động, tức là nếu liên kết càng mạnh thì tần số dao động càng cao và

ngược lại. Phổ hồng ngoại của phân tử được thu thập bằng cách cho một chùm tia

hồng ngoại với một dải tần số được tính tốn trước đi qua mẫu. Một máy thu phổ hồng

ngoại được đặt để thu những photon hồng ngoại sau khi đã đi qua mẫu. Những vị trí có



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 1. Tổng quan về vật chất trong môi trường liên sao (ISM) và sự tương tác của chúng với môi trường

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×