ИСТИНА

Конечной целью этих исследований является установление механизмов физико-химической эволюции молекулярного вещества Вселенной в космологическом масштабе времени. Оригинальный подход по лабораторному моделированию излучения космических объектов, позволит помимо температуры и электронной плотности оценить давление и плотность частиц. Комплексная диагностика плазмы обеспечит определение её параметров в широком диапазоне значений с высокой точностью. Это позволит улучшить точность качественного и количественного элементного анализа метеороидов, определения их характеристик для привязки к родительскому телу. Также будут получены экспериментальные спектры монооксидов в релевантных наблюдательным данным условиях, что позволит улучшить точность расчётов в области высоких значений колебательных и вращательных квантовых чисел. Прецизионное знание структурно-динамических параметров астрохимически значимых молекул при низких давлениях в широком диапазон температур необходимо для описания физико-химических свойств газофазных сред с точностью, соответствующей астрономическим наблюдениям. Энергетические и радиационно-столкновительные характеристики нейтральных молекул и их ионов, находящихся как в основном, так и возбужденных ровибронных состояниях, крайне важны для моделирования эволюции межзвездной среды, приводящей к образованию молодых звезд и планетарных систем. Особый интерес вызывают физико-химические характеристики атомов и молекул, которые можно использовать для оптической диагностики удаленных космических объектов, включая квазары, молекулярные облака, атмосферы экзопланет, холодные звезды, кометные комы и метеоры. Ключевым стимулом к формированию проблематики данного проекта стало начало работы в 2022 году космического ИК-телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), который позволяет с беспрецедентно высоким спектральным и пространственным разрешением исследовать удаленные и оптически слабые космические объекты, что значительно повышает актуальность запланированных исследований.

The origin and evolution of molecules in the Universe are associated with the release of matter in the late stages of the existence of stars into the interstellar medium by stars and the subsequent transformation of this substance under the influence of UV radiation and high-energy particles, and ends with the capture of this substance by newly formed stars and planetary systems. Understanding this chemical evolution, in the context of the origin of life, has been a key problem of astrophysics in recent decades. To do this, it is necessary to know the full chain of chemical reactions, the value of their constants in "cosmic" conditions. This problem turned out to be fundamentally difficult for the experience of "terrestrial" chemistry due to the cardinal difference in the time and spatial scales of chemical processes. The practical use of outer space is one of the key elements for improving the quality of life on Earth. Significant progress in the field of information technology is directly related to the development of space infrastructure, and with it the amount of space derbis is growing, which has become a very important problem for space agencies around the world. In addition, there is a need for a detailed understanding of the behavior of aircraft when they return to Earth and an assessment of the protective properties of the Earth's atmosphere from impacts of large-sized space bodies of natural origin. Accordingly, the project is aimed at using laboratory and numerical modeling in combination with quantum chemistry methods for precision description in a relevant gas-phase medium of the structure and dynamics of electronically excited states of molecules important for astrochemistry and in the study of radiation-gas dynamic processes in the atmosphere. Two main areas of work can be distinguished: simulation of gas–plasma media arising from the entry of massive bodies into the dense layers of the planetary atmosphere, and their detailed study by a complex of spectral methods, as well as joint experimental and quantum-chemical study of the structural and dynamic parameters of excited electronic states of molecules involved in the chemical evolution of astronomical objects on a cosmological time scale. The ultimate goal of these studies is to establish the fundamental mechanisms of the physicochemical evolution of the molecular substance of the Universe on a cosmological time scale. An original approach to laboratory modeling of cosmic object radiation will be implemented, which allows, in addition to temperature and electron density, to estimate the pressure and density of particles in the plasma source under study. The combination of the proposed laser-spectral methods of plasma diagnostics will ensure reliable determination of plasma parameters in a wide range of values of its parameters with high accuracy. The obtained laboratory modeling data will improve the accuracy of qualitative and quantitative elemental analysis of meteoroids and determination of their characteristics for binding to the parent body. In addition, experimental spectra of monoxides will be obtained under conditions relevant to observational astronomical data, which will improve the accuracy of quantum mechanical calculations in the region of high values of vibrational and rotational quantum numbers. Precision knowledge of the structural and dynamic parameters of astrochemically significant molecules at low pressures, as well as high and/or low nonequilibrium temperatures is a prerequisite for an adequate description of the physicochemical properties of gas-phase media with accuracy corresponding to currently available astronomical observations. The energy and radiation-collision characteristics of neutral molecules and their ions, both in the ground and excited rovibronic states, are extremely important for modeling the chemical evolution of the interstellar medium, leading to the formation of young stars and new planetary systems. Of particular interest are the physicochemical characteristics of atoms and molecules that can be used for optical diagnostics of remote space objects, including quasars, molecular clouds, exoplanet atmospheres, cold stars, comet comets and meteors. The key incentive for the formation of the problems of this project was the successful launch of the James Webb Infrared Space Telescope (JWST) in 2022, which allows to study extremely remote and optically weak space objects with unprecedented high spectral and spatial resolution, which significantly increases the relevance of the research planned in the project.

Лабораторное моделирование эмиссионных спектров «космического мусора», поиск условий (давление,задержка регистрации) при которых лабораторные спектры при испарении алюминия, титана, железа будут подобны известным из литературы данным по наблюдению за сгоранием в верхних слоях атмосферы техногенных объектов.Диагностика лазерной плазмы по эмиссионным спектрам и с помощью лазерной флуоресценции при оптимальном давлении. Получение пространственно-разрешенных профилей распределения частиц в лазерной плазме. Оценка степени однородности такой плазмы и размеров различающихся по свойствам зон. Выбор оптимального алгоритмаобратного преобразования Абеля на основании качества восстановления профиля при последовательном применении к профилям распределения температуры (литературным) прямого и обратного преобразования Абеля. Определениеоптимального пространственного разрешения (числа точек и расстояния между ними) на основе численного моделирования с использованием синтетических данных. Интеграция новой камеры в имеющуюся экспериментальную установку. Выбор конфигураций источников для создания обучающего набора и генерация необходимых модельных данных для чистых металлов, а также состава, соответствующего хондриту, имеющемуся у коллектива.Критический анализ литературы, посвященной экспериментальной технике наблюдения сенсибилизированной фосфоресценции, а также временных характеристик фосфоресценции астрохимически важных молекул ПАУ в низших возбужденных электронных состояниях S1 и Т1; выбор объектов экспериментального исследования, попадающих в рабочий диапазон источника лазерного излучения; создание рабочих чертежей приставки для наблюдения сенсибилизированной фосфоресценции (азотной ловушки, держателя ФЭУ, оптической системы); модернизация вакуумного клапана для создания сверхзвуковой струи инертного газа; изготовление деталей приставки для наблюдения сенсибилизированной фосфоресценции; сборка приставки для наблюдения сенсибилизированной фосфоресценции и юстировка ее оптической схемы; модернизация электронной схемы сбора данных экспериментальной установки для подключения второго ФЭУ; Решение электронной задачи для бензола, решение колебательной задачи для бензола в простейших приближениях и анализ их применимости; проведение расчетов Заявка № 23-13-00207 Страница 49 из 62 CASSCF/XMCQDPT2 для мономера и определение параметров модели; аналогичные расчеты для катионов и анионов мономера;юпроведение расчетов NOPA+PT для димеров, анализ полученных результатов; при необходимости: уточнение модели и повторное проведение расчетов c использованием более точных методов (без вышеуказанных приближений). Разработка аналитических методов оценки матричных элементов неадиабатических электронно-колебательных взаимодействий между электронными состояниями, принадлежащих одной и той же ридберговской серии, для оценки скоростей колебательной автоионизации ридберговских состояний гомоядерных двухатомных молекул в рамках одноканального приближения теории квантового дефекта (ТКД). Вывод соответствующих аналитических выражений и их тестирование, путем численного сравнения с оригинально рассчитанными неэмпирическими методами квантовой химии. Тестовые расчеты скоростей колебательной автоионизации низколежащих синглетных ридберговских состояний молекулярного водорода с помощью «золотого” правила Ферми. Сравнение теоретических оценок с имеющимися в литературе экспериментальными данными.

Достижимость решения поставленных задач обусловлена: • накопленным опытом руководителя и основных исполнителей проекта в экспериментально-теоретическом изучении электронных спектров высоко возбужденных молекулярных состояний (в том числе и ридберговских состояний двухатомных молекул с учетом неадиабатических внутримолекулярных эффектов), регистрации спектров лазерного возбуждения флуоресценции молекул, охлажденных в сверхзвуковой струе инертного газа, а также применения структурно-динамических параметров молекул для кинетического моделирования процессов химического превращения, проходящих в межзвездной и околозвездной среде; • большим опытом участников коллектива по развитию и применению метода ЛИЭС для решения разнообразных задач, диагностике и моделированию лазерно-индуцированной плазмы, использованию методов машинного обучения для решения задач многопараметрической оптимизации, аппроксимации контуров спектральных линий, построению многомерных градуированных моделей, уже экспериментально реализованы системы для проведения измерений томсоновского рассеяния, лазерно-индуцированной флуоресценции, проведены предварительные измерения и показана возможность использования преобразования Абеля при пониженном давлении; • наличием предварительных экспериментальных результатов и квантово-химических расчетов по анализу и интерпретации метеорных спектров, а также лазерной спектроскопии многоатомных углеводородов; литературными данными о наблюдении и исследованиях спектров других двухатомных молекул в лазерно-индуцированной плазме, а также регистрации эмиссионных спектров FeO и CaO в лазерно-индуцированной плазме при пониженном давлении

1. Имеющиеся данные о состояниях и переходах TiO из базы ExoMol позволяет оценивать равновесную температуру при атмосферном давлении на поздних временах наблюдения плазмы (18 до 30 мкс) с точностью на уровне 25 %. Основными факторами, объясняющими расхождение экспериментальных и модельных спектров являются наличие интенсивных атомных линий. Систематическое занижение интенсивности синтетических спектров в области 550-560 нм относительно экспериментальных данных может указывать на необходимость уточнения данных по вероятностям переходов для системы B(3PI) - X(3DELTA). 2. Состав мишени, при испарении которой спектры плазмы и болида Бенешева схожи, был определен с помощью калибровки, где в качестве сигналов выступали отношения интенсивностей Fe|Ca. Используя данные болида Бенешев и калибровку определили, что наибольшее подобие спектров достигается для соотношения Fe/Ca 84:1. 3. Наиболее отчётливо рост сигналов в спектрах при испарении кремния при увеличении давлении кислорода проявляется в области 445 нм, что с учетом немногочисленных литературных данных, указывает на возможные полосы молекул SiO2. Вблизи длины волны 610 нм можно наблюдать слабый сигнал, который значительно усиливается с увеличением давления кислорода. Как и в случае с диоксидом кремния, данная спектральная особенность может быть отнесена к диоксиду железа FeO2. 4. Анализ спектров флуоресценции молекулы CaO в лазерной плазме показал, что в области «синей» полосы (360-440 нм) сигналы можно отнести к колебательно-вращательным уровням B1Π состояния; переходам между, предположительно, состояниями C1Σ и X1Σ (без идентификации). Также для части сигналов недостаточно литературных данных для отнесения даже к электрнным состояниям. 5. Улучшенная архитектура нейросети и расширенный обучающий набор позволили получить модель, точности предсказания которой близка по порядку величины к погрешности определения экспериментальных сигналов, используемых для соответствующих расчетов. 6. Из-за значительного уширения линии Li надежная оценка поступательной температуры возможна на относительно поздних временах существования лазерной плазмы (1-5 мкс). В этот момент поступательная температура может достигать 40 000 К, далее быстро уменьшаясь по мере расширения плазмы до 10 000–15 000 К. Можно отметить, что с ростом давления наблюдается более выраженное снижение температуры при временной эволюции плазмы, что отражает более быстрый теплообмен и торможение частиц при ее расширении. 7. Выполнено экспериментально-теоретическое исследование эмиссионных спектров ЛИЭС образцов тепловой защиты пилотируемых космических аппаратов, которое создает предпосылки для проведения в реальном масштабе времени и с высоким пространственным разрешением дистанционной in situ спектральной диагностики быстропротекающих газоплазменных процессов, вызванных конвективно-радиационной деградацией внешней обшивки спускаемых аппаратов при их вхождении в верхние слои земной атмосферы. 8. Отработана методика аппроксимации молекулярных спектров ЛИЭС с возможностью использования нескольких температур и учетом эффекта самопоглощения. Для этого имеющийся алгоритм моделирования спектров плазмы в предположении ЛТР был расширен на случай трех различных температур: электронной, колебательной и вращательной. 9. Создана единая неадиабатическая модель описания энергетических, радиационных и магнитных характеристик X~A~B комплекса всех изотопологов молекулы CN, которая позволяет существенно увеличить точность моделирования эмиссионных спектров радикала СN при высоких температурах и в неравновесных условиях, которые характерны для большинства скоростных газоплазменных процессов. 10. На примере ЛИЭС спектров радикала CN, полученных при испарении углерод-азот-содержащей твердой мишени на воздухе, обнаружено разделение колебательной и вращательной температуры (разница до 2000 К) на средних и поздних временах наблюдения после лазерного импульса. Учет эффекта самопоглощения позволил существенно улучшить качество описания экспериментальных данных, в особенности в области наиболее “сильных” B2Σ+-X2Σ+ переходов 0-0 последовательности. 11. Выполнены неэмпирические расчеты кривых потенциальной энергии, собственных электрических дипольных моментов состояний и дипольных моментов разрешенных по спину переходов для основного и ряда низколежащих синглетных и триплетных состояний изолированной молекулы СаО. 12. Выполнены нерелятивистские расчеты кривых потенциальной энергии и собственных дипольных моментов для ридберговских состояний эксиплексной молекулы Na-He. Установлено, что при больших значениях R межатомные потенциалы и дипольные моменты возбужденных 2Σ+-состояний молекулы Na-He модулируются (визуально повторяют) узловой структурой волновой функции ридберговского (n > 3) s-электрона атома Na при его коллинеарном столкновении с удаленным атомом He. 13. Предложен многоступенчатый механизм последовательного роста молекул ПАУ в низкотемпературных условиях МЗС через электронно-возбужденный мономер бензола, его димер, а также их катионов, рассмотренных в качестве промежуточных продуктов фотоиндуцированной десорбции бензольной ледяной мантии, образовавшейся на частицах космической пыли. 14. Исследованы вклады дискретных и континуальных ридберговских состояний в адиабатическую коррекцию и регулярные неадиабатические сдвиги вибронных уровней низколежащих термов двухатомной молекулы. Установлено, что порциальный вклад электронного континуума может достигать нескольких десятков процентов даже для первых членов ридберговской серии. 15. Исследовано влияние неравновесного колебательно-вращательного возбуждения молекулярного водорода на итоговую концентрацию молекул HF, синтезируемых в реакции F + H2 → HF + H в фотодиссоциационной области МЗС, образующейся при взаимодействии интенсивного УФ излучения звезд и соседнего молекулярного облака. 16. С помощью кватовохимических расчетов электронной структуры π-сопряженных хромофоров исследовано влияние пространственной топологии и включения атомов азота в молекулы ПАУ на особенности строения их спектров УФ–поглощения и ИК-испускания. Полученные результаты необходимы для молекулярного отнесения как ИК-излучения, так и диффузного УФ-поглощения, регистрируемого повсеместно в различных зонах МЗС. 17. Метод неортогональных продуктов объединен с теорией возмущений в полном активном пространстве для исследования возбужденных электронных состояний эксимерной молекулы димера бензола Bz2. Рассмотрен общий механизм фотоиндуцированного возбуждения электронных состояний Bz2, его последующей стабилизации за счет колебательной релаксации до минимума оптически неактивных состояний, а также параллельного преддиссоциативного распада, вызванного внутримолекулярными взаимодействиями с множеством отталкивательных состояний.