CC BY
17
УДК 523.07
КИРАЛЬНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ, ПРОИЗВОДИМОЕ УДАРНЫМИ ВОЛНАМИ ОТ ВЗРЫВА СВЕРХНОВОЙ
В. А. Царев
Дана оценка киралъного воздействия на органику межзвездного облака ударной волны "включения" от сверхновой (СН). Найдено, что этот эффект мал и не может нарушить киральную универсальность воздействия, обусловленного лево-поляризованными электронами и нейтрино от СН.
Взрыв сверхновой, который представляет собой "саморазрушение" звезды, означает конец жизни одной звезды, но одновременно стимулирует рождение последующих поколений звезд. Подобные события играют важнейшую роль не только в галактической эволюции, но, возможно, и в возникновении жизни. В частности, взрывы СН - это единственный механизм, который приводит к выбрасыванию атомов тяжелее гелия в межзвездную среду (МЗС). В этом смысле мы можем сказать, что "все мы являемся остатками сверхновых". Более того, как это было недавно подчеркнуто в [1], СН играют уникальную роль одновременно как в генерации ударных волн, являющихся триггером коллапса межзвездных молекулярных облаков (ММО) в новые звезды и планеты, так и в облучении органики в этих ММО потоками лево-поляризованных электронов и нейтрино. Таким образом, сверхновые являются неизбежными факторами кирального воздействия, и в рамках данного механизма все формы жизни во Вселенной, основанные на углеводородах, должны иметь универсальную киральную структуру. В действительности критичная роль, которую играют ударные волны от СН для возникновения жизни, может не ограничиваться только инициированием коллапса облака Во многих экспериментах (см. [2] и ссылки в этой работе) было установлено, что поликонденсация твердых мономеров и образование большого числа аминокислот может инициироваться под действием ударных волн. Более того, ниже мы покажем, что ударные волны от СН сами по себе способны, в принципе, производить киральное воздействие
на молекулы в межзвездных молекулярных облаках, причем знак этого воздействия оказывается зависящим от геометрии облучения. Мы оценим этот эффект и посмотрим, может ли он нарушить "универсальность" кирального воздействия, вызванного облучением электронами и нейтрино от СН [1].
Прежде всего, напомним картину взрыва СН (см., например, [3]). С точки зрения газодинамики, взрыв СН может быть рассмотрен как движение газа (с данными величинами плотности /9, давления Р и показателя адиабаты 7) под действием расширяющейся сферической, почти непроницаемой оболочки с массой M и начальной скоростью Vo (начальное значение числа Маха М0 = Vo/Cs » 1, где Cs - скорость звука в МЗП). В фазе "свободного разлета" оболочка СН расширяется с почти постоянной скоростью, и перед ней образуется ударная волна, имеющая скорость V = Vo(7 + l)/2. В некоторый момент t — ¿о, когда масса газа, вытесненного ударной волной, становится соизмеримой с массой газа в УВ, начальная кинетическая энергия У В почти полностью переходит в энергию газа, скорость V падает, и устанавливается фаза Седова. Пусть при t = О произошел взрыв СН, и затем при t > t0 сферический ударный фронт с радиусом R(t) расширяется в (однородной) межзвездной среде согласно уравнению
R(t) = Ro(t/toY. (1)
Движение фронта ударной волны хорошо описывается формулой (1) для t > 103 — 104 лет с v — 0.4 [4]. Число Маха меняется с t согласно уравнению
M(t) = Moit/to)-1. (2)
Степень сжатия а = р/ро (отношение плотностей газа перед ударной волной и позади нее) связано с числом Маха следующим образом:
с = Ш2/{М2 + 3). (3)
Скорость фронта ударной волны меняется со временем как
V{t) « R(t)/t « (До/МеЛо)""1 • (4)
Для дальнейшего обсуждения существенно заметить, что газ межзвездной среды и молекулярного облака частично ионизован, так что отношение Ne/(N-10n + Aneutrai) лежит в пределах от 10~3до Ю-5 [5]. Типичные значения магнитного поля, вмороженного в плазму межзвездной среды, приблизительно пропорциональны плотности газа и составляют Ю-5 — Ю-6 Гс для МЗС, тогда как для молекулярных облаков они могут быть, по крайней мере, на порядок больше.
Для нашего рассмотрения наибольший интерес представляет фаза Седова, где размеры фронта У В становятся близкими к максимальным, и число Маха равно М ~ 2 — 3. При этом соответствующие значения времени tм, радиуса УВ Ям и скорости Ум равны:
= <о(А#/Мо)1/("-1>; ЯЦМ) и ЛоСМо/М)-"^-1); У(1М) » У0(М/М0). (5)
Выбирая [6] = Ю4 лет, = 44.5 пк, М0 = 10, получим для М = 3-2, У0 = 4.4 х 103 км/с, У2 = (1.32 — 0.88) х 103 км/с, а — 3 — 2.3 {У2 - это скорость газа за фронтом У В в системе, связанной с этим фронтом).
Предположим, что УВ распространяется через замагниченную МЗС-плазму под некоторым углом а к вектору магнитной индукции В. В этом случае возникают так называемые волны "включения" [7], в которых компонента В1 поля В, лежащая в плоскости фронта УВ, вращается с некоторой частотой ш. Выбирая ось х параллельной вектору скорости фронта УВ V, запишем компоненты вектора В^
В г ~ ехр(—х/Ь) сое в(х), (6)
Ву ~ ехр(—х/Ь) эш 9{х).
Здесь Ь рй (М\оп/те)(У/у) - длина поглощения; Мюп и те - массы иона и электрона, соответственно, иг/ - частота электрон-ионных столкновений. Частота вращения
а; = а,;оп = (4тт Кюпе2/МюпУ'2. (7)
Таким образом, фронт У В возбуждает циркулярно-поляризованное магнитное поле, подобное полю циркулярно-поляризованного света. В общем случае это поле может индуцировать киральную асимметрию, как это имеет место в случае облучения циркулярно-поляризованным светом.
Известно, что оптическая активность, обусловленная присутствием киральнх молекул, может быть объяснена специальной формой электрического (и магнитного) ди-польного момента Р (и М) молекулы, индуцированного электромагнитным полем света. Если Е - электрическое поле волны, тогда [8]
Р = аЕ + (г/2МзЕ], (8)
М = -(г/2п)5Е,
где в - единичный вектор нормали к волновому фронту и д - средняя величина, тензора гирации, которая имеет противоположные знаки для молекул Ь- и Ю-конфигураций.
Для циркулярно-поляризованного света компоненты электрического поля могут быть записаны в виде:
Ez = Ео cos т, (9)
Еу — ±Ео sinr = Е0 cos(r ± pi/2), т = ui(t — rs/c). Или в комплексной форме:
Е = Е0ехр(г'т), Е0 = E0(k ± у). (9а)
Легко видеть, что вклад в энергию молекулы, обусловленный взаимодействием с электрическим полем, равен
W=(PE) = E20(a±g/2). (10)
Таким образом, величина энергии W для определенной поляризации света различна для молекул различной киральности.
Оценим величину эффекта. Полагая V = 103 км/с, M¡on/me = 2 х 103, и v = 10"' с-1 [9], имеем
L и 3 х 109кж и т = L¡c и 104 с. (11)
Плотность энергии, связанная с Bi, составляет
WB = (1/2^)^ » 240 eV/cm3. (12)
При оценках мы использовали величину Ю-4 Гс для магнитного поля в межзвездной среде. Соответствующая плотность потока энергии равна
Fb = Wbck10133Bcm-3c~1. (13)
Плотность поглощенной энергии за время затухания составляет
Фв = Fbt ~ 1017 зВ/см3. (14)
Мы можем сравнить эту оценку с условиями лабораторных экспериментов [10, 11]. Эти эксперименты были проведены для моделирования процесса облучения гранул холодных газопылевых межзвездных облаков фотонами. Тонкий слой триптофана облучался при 10 К в течение 50-100 часов циркулярно-поляризованным УФ светом, поток которого на поверхности слоя составлял 1012 фотонов/(с:м2 с). Было найдено относи тельное увеличение избытка D-/Z-молекул порядка 50%. Этот результат означает, что
селективное разрушение (при поглощении света) левых молекул триптофана по отношению к правым очень эффективно даже при низких температурах. Полагая среднюю энергию фотонов равной (Еръ) ~ 3 эВ, получаем для данного эксперимента плотность поглощенной энергии за 50 часов:
Видно, что эта величина близка к значению, найденному для Фв (т.е., плотности энергии, связанной с магнитным полем волны "включения"). Таким образом, на первый взгляд, можно было бы ожидать достаточно большого кирального эффекта, связанного с УВ от взрыва сверхновой. Однако в действительности это неверно. Во-первых, для использования формулы (10) в нашем случае мы должны оценить не магнитное, а электрическое поле, связанное с волной "включения". Легко видеть, что при этом возникает фактор (3 = У2/с & V/ с, уменьшающий электрическое поле по сравнению с В! (напомним, что здесь У2 - это скорость молекул газа позади фронта УВ). Таким образом, поток энергии, связанный с Е, в I//?2 = 104 — 105 раз меньше, чем Фв или Фехр-Однако имеется еще более существенное обстоятельство, связанное с частотами волн "включения" ш ~ 105 с-1. Эти частоты примерно на 10 порядков меньше, чем частоты УФ-диапазона, которые наиболее важны для кирально-селективных фото-процессов.
Таким образом, мы можем заключить, что киральное воздействие, связанное с волнами "включения" (генерированными ударными волнами от СН), хотя и возможно в принципе, мало по величине и, следовательно, не может привести к нарушению "ки-ральной универсальности", создаваемой потоками лево-поляризованных электронов (и нейтрино) от той же СН.
[1] Т. Саито, В. А. Царев, Краткие сообщения по физике ФИАН, N 3, 16 (2004).
[2] В. И. Гольданский, Известия АН, Сер. Хим., 3, 409 (1997).
[3] Е. Г. Бережко и др., ЖЭТФ 109, 3 (1996).
[4] L. I. Sedov, Similarity and Dimensional Methods in Mechanics (New York, Academic Press, 1959).
[5] M. S. Longair, High Energy Astrophysics (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1981).
[6] T. J. Bogdan and H. J. Volk, Astron. Astrophys 122, 129 (1983).
[7] F. V. Coroniti, Nuclear Fusion 11, 261 (1971).
[8] M. В. Волькенштейн, Молекулярная оптика (M., Гос. Изд. Техн. Лит., 1996).
Фехр = 50 х 3600 х 1012 х 3 = 5.4 х 1017 эВ см~3.
(15)
ЛИТЕРАТУРА
[9] В. JI. Гинзбург, А. А. Рухадзе, Волны в магнито-активной плазме (М., Наука, 1975).
[10] J. М. Greenberg et al., J. Biol. Phys. 20, 61 (1994).
[11] J. M. Greenberg in D. Cline (ed.), Physical Origin of Homochirality in Life, in: AIP Conference Proceedings 379 (AIP, Woodbury, New York, 1996), p. 185.
Поступила в редакцию 20 мая 2008 г.
