🔧На сайте запланированы технические работы
25.12.2025 в промежутке с 18:00 до 21:00 по Московскому времени (GMT+3) на сайте будут проводиться плановые технические работы. Возможны перебои с доступом к сайту. Приносим извинения за временные неудобства. Благодарим за понимание!
🔧Site maintenance is scheduled.
Scheduled maintenance will be performed on the site from 6:00 PM to 9:00 PM Moscow time (GMT+3) on December 25, 2025. Site access may be interrupted. We apologize for the inconvenience. Thank you for your understanding!

 

THE INFLUENCE OF VARIATIONS OF ELEMENTAL COMPOSITION OF A GAS ON THE MOLECULAR KINETICS

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The low efficiency of metal mixing in the interstellar gas preserves their spatial inhomogeneities for longer times. In this work, we study how the variations in the elemental composition affects the chemical evolution of the molecular gas, that cools down behind the supernovae shock fronts. We perform numerical simulations of the non-equilibrium chemical kinetics of a Lagrangian gas element experiencing the shockwaves travelling at 5–15 km/s velocities. We vary the chemical abundances of carbon and oxygen in range ±0.3 dex from the values typical for the ISM. We find significant differences in fractions of several molecular species, disproportionate with the variations in the abundances of the corresponding chemical elements. While these differences are remarkably higher than the variations of the given element abundances. We investigate how these changes in the molecular fractions depend on the properties of the gas, as well as on the external effects: gas density, ultraviolet flux, cosmic ray ionization rate and extinction. We find, for instance, that variations of oxygen abundance for δ[O/H] ~ ±0.3 dex of the Solar value, modify the water molecule fraction already by ~ 3–50 times. The differences are the most prominent for extinction values AV ~ 0.3–3. We discuss the importance of these findings for chemical kinetics in star-forming regions.

About the authors

O. P. Vorobyov

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: vorobev.op@phystech.edu
Moscow, Russia

E. O. Vasiliev

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: eugstar@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. M.A. de Avillez and M.-M. Mac Low, 581, 1047 (2002), arXiv:astro-ph/0208441.
  2. E.A. Karitskaya, N.G. Bochkarev, V.V. Shimansky, and G.A. Galazutdinov, in Why Galaxies Care about AGB Stars II: Shining Examples and Common Inhabitants, Proc. of a Conference held at University Campus, Vienna, Austria, 16–20 August 2010; edited by F. Kerschbaum, T. Lebzelter, and R. F. Wing (San Francisco: ASP Press, 2011), ASP Conf. Ser. 445, 335 (2011).
  3. N.G. Bochkarev, E.A. Karitskaya, V.V. Shimanskii, and G.A. Galazutdinov, Astron. Nachricht. 334(8), 835 (2013).
  4. L. Blitz and F.H. Shu, 238, 148 (1980).
  5. S.A. Khoperskov, E.O. Vasiliev, D.A. Ladeyschikov, A.M. Sobolev, and A.V. Khoperskov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 455, 1782 (2016), arXiv:1508.04966 [astro-ph.GA].
  6. M. Chevance, M.R. Krumholz, A.F. McLeod, E.C. Ostriker, E.W. Rosolowsky, and A. Sternberg, in Protostars and Planets VII, Proc. of a Conference held 10–15 April 2023 at Kyoto, Japan; edited by S.-i. Inutsuka, Y. Aikawa, T. Muto, K. Tomida, and M. Tamura (San Francisco: ASP Press, 2023), ASP Conf. Ser. 534, 1 (2023), arXiv:2203.09570 [astro-ph.GA].
  7. E.O. Vasiliev and Y.A. Shchekinov, Astron. Rep. 60(10), 924 (2016).
  8. T.J. Satterfield, A.M. Katz, A.R. Sibley, G.M. MacAlpine, and A. Uomoto, Astron. J. 144(1), id. 27 (2012), arXiv:1205.5737 [astro-ph.SR].
  9. W. Baade and R. Minkowski, 119, 206 (1954).
  10. S. van den Bergh, 165, 457 (1971).
  11. M. Peimbert and S. van den Bergh, 167, 223 (1971).
  12. R.A. Chevalier and R.P. Kirshner, 233, 154 (1979).
  13. E.V. Gotthelf, B. Koralesky, L. Rudnick, T.W. Jones, U. Hwang, and R. Petre, Letters 552, L39 (2001), arXiv:astro-ph/0104161.
  14. R.A. Fesen, J.A. Zastrow, M.C. Hammell, J.M. Shull, and D.W. Silvia, 736(2), id. 109 (2011), arXiv:1105.3970 [astro-ph.GA].
  15. H. Itoh, Publ. Astron. Soc. Japan 33, 1 (1981).
  16. K.J. Borkowski and J.M. Shull, 348, 169 (1990).
  17. R.S. Sutherland and M.A. Dopita, 439, 381 (1995).
  18. D. Docenko and R.A. Sunyaev, Astron. and Astrophys. 509, id. A59 (2010), arXiv:0806.1801 [astro-ph].
  19. J. Rho, J.W. Hewitt, A. Boogert, M. Kaufman, and A. Gusdorf, 812, id. 44 (2015), arXiv:1508.07245 [astro-ph.GA].
  20. T.-Y. Tu, Y. Chen, and Q.-C. Liu, 978, id. 83 (2025), arXiv:2411.09138 [astro-ph.GA].
  21. P. Zhou, G.-Y. Zhang, X. Zhou, M. Arias, et al., 931, id. 144 (2022).
  22. T. Grassi, S. Bovino, D.R.G. Schleicher, J. Prieto, D. Seifried, E. Simoncini, and F.A. Gianturco, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 439, 2386 (2014).
  23. S.C.O. Glover, C. Federrath, M.M. Mac Low, and R.S. Klessen, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 404, 2 (2010), arXiv:0907.4081 [astro-ph.SR].
  24. D. Hollenbach and C.F. McKee, Suppl. 41, 555 (1979).
  25. S.C.O. Glover, 584, 331 (2003), arXiv:astro-ph/0210493.
  26. S.C.O. Glover and A.K. Jappsen, 666, 1 (2007), arXiv:0705.0182 [astro-ph].
  27. B.T. Draine, Suppl. 36, 595 (1978).
  28. H.J. Habing, Bull. Astron. Inst. Netherland 19, 421 (1968).
  29. B.T. Draine and F. Bertoldi, 468, 269 (1996), arXiv:astro-ph/9603032.
  30. J.S. Mathis, W. Rumpl, and K.H. Nordsieck, 217, 425 (1977).
  31. L. Spitzer, Jr. and M.G. Tomasko, 152, 971 (1968).
  32. A.E. Glassgold and W.D. Langer, 193, 73 (1974).
  33. A. Dalgarno, Proc. of the National Academy of Science 103(33), 12269 (2006).
  34. M. Padovani, D. Galli, and A.E. Glassgold, Astron. and Astrophys. 501, 619 (2009), arXiv:0904.4149 [astro-ph.SR].
  35. B.B. Nath, N. Gupta, and P.L. Biermann, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 425, L86 (2012), arXiv:1204.4239 [astro-ph.GA].
  36. D.A. Neufeld and M. G. Wolfire, 845, id. 163 (2017), arXiv:1704.03877 [astro-ph.GA].
  37. D.N. Kosenko, S.A. Balashev, P. Noterdaeme, J.K. Krogager, R. Srianand, and C. Ledoux, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 505, 3810 (2021), arXiv:2103.10676 [astro-ph.GA].
  38. S. Bialy, S. Belli, and M. Padovani, Astron. and Astrophys. 658, id. L13 (2022), arXiv:2111.06900 [astro-ph.GA].
  39. D.N. Kosenko and S.A. Balashev, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 525, 2820 (2023), arXiv:2309.01600 [astro-ph.GA].
  40. K.R. Sembach, J.C. Howk, R.S.I. Ryans, and F.P. Keenan, 528, 310 (2000), arXiv:astro-ph/9908051.
  41. N. Przybilla, M.-F. Nieva, and K. Butler, Letters 688, L103 (2008), arXiv:0809.2403 [astro-ph].
  42. K.V. Bychkov and S.B. Pikelner, Soviet Astron. Letters 1, 14 (1975).
  43. S. Cazaux, V. Cobut, M. Marseille, M. Spaans, and P. Caselli, Astron. and Astrophys. 522, id. A74 (2010), arXiv:1007.1061 [astro-ph.SR].
  44. H.C. van de Hulst, Optics of spherical particles, Ph.D. Thesis (Utrecht, 1946); Recherches Astronomiques de l’Observatoire d’Utrecht 11, 1 (1946).
  45. W.H. McCrea and D.McNally, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 121, 238 (1960).
  46. R.J. Gould and M. Harwit, 137, 694 (1963).
  47. D.J. Hollenbach, M.W. Werner, and E.E. Salpeter, 163, 165 (1971).
  48. D.A. Williams, T.W. Hartquist, and D.C.B. Whittet, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 258, 599 (1992).
  49. D.C.B. Whittet, P.A. Gerakines, A.G.G.M. Tielens, A.J. Adamson, et al., Letters 498, L159 (1998).
  50. K.M. Pontoppidan, E.F. van Dishoeck, and E. Dartois, Astron. and Astrophys. 426, 925 (2004), arXiv:astro-ph/0407316.
  51. T.I. Hasegawa, E. Herbst, and C.M. Leung, Suppl. 82, 167 (1992).
  52. S.B. Charnley, S.D. Rodgers, and P. Ehrenfreund, Astron. and Astrophys. 378, 1024 (2001).
  53. P. Caselli, T.I. Hasegawa, and E. Herbst, 408, 548 (1993).
  54. B.T. Draine, W.G. Roberge, and A. Dalgarno, 264, 485 (1983).
  55. I. Jiménez-Serra, P. Caselli, J. Martn-Pintado, and T.W. Hartquist, Astron. and Astrophys. 482, 549 (2008), arXiv:0802.0594 [astro-ph].
  56. A. Gusdorf, T. Giannini, D.R. Flower, B. Parise, R. Güsten, and L.E. Kristensen, Astron. and Astrophys. 532, id. A53 (2011), arXiv:1108.3692 [astro-ph.GA].
  57. D. Hollenbach and C.F. McKee, 342, 306 (1989).
  58. D.A. Neufeld and G.J. Melnick, 322, 266 (1987).
  59. D. Hollenbach, M.J. Kaufman, E.A. Bergin, and G.J. Melnick, 690, 1497 (2009), arXiv:0809.1642 [astro-ph].
  60. T.G. Phillips, E.F. van Dishoeck, and J. Keene, 399, 533 (1992).
  61. E.A. Bergin, G.J. Melnick, and D.A. Neufeld, 499, 777 (1998), arXiv:astro-ph/9803330.
  62. C.P. Dullemond, A. Juhasz, A. Pohl, F. Sereshti, R. Shetty, T. Peters, B. Commercon, and M. Flock, RADMC-3D: A multi-purpose radiative transfer tool, Astrophys. Source Code Library, record ascl:1202.015 (2012).
  63. E.B. Jenkins, 700, 1299 (2009), arXiv:0905.3173 [astro-ph.GA].
  64. D.C.B. Whittet, 710, 1009 (2010), arXiv:0912.3298 [astro-ph.GA].
  65. K. Kifonidis, T. Plewa, H.T. Janka, and E. Müller, Letters 531, L123 (2000), arXiv:astro-ph/9911183.
  66. L.B. Lucy, I.J. Danziger, C. Gouiffes, and P. Bouchet, Structure and Dynamics of the Interstellar Medium, Proc. of IAU Colloq. 120, held on the Occasion of Guido’s Jubilee in Granada, Spain, April 17–21, 1989; edited by G. Tenorio-Tagle, M. Moles, and J. Melnick (Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1989), Lectures Notes in Physics 350, 164 (1989).
  67. P. Todini and A. Ferrara, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 325, 726 (2001), arXiv:astro-ph/0009176.
  68. T. Nozawa, T. Kozasa, H. Umeda, K. Maeda, and K. Nomoto, 598, 785 (2003), arXiv:astro-ph/0307108.
  69. S. Bianchi and R. Schneider, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 378, 973 (2007), arXiv:0704.0586 [astro-ph].
  70. B.B. Nath, T. Laskar, and J.M. Shull, 682, 1055 (2008), arXiv:0804.3472 [astro-ph].
  71. J.D. Slavin, E. Dwek, and A.P. Jones, Astrophys. J. 803, id. 7 (2015), arXiv:1502.00929 [astro-ph.GA].
  72. F. Kirchschlager, F.D. Schmidt, M.J. Barlow, E.L. Fogerty, A. Bevan, and F.D. Priestley, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 489, 4465 (2019), arXiv:1908.10875 [astro-ph.SR].
  73. J.D. Slavin, E. Dwek, M.-M. Mac Low, and A. S. Hill, Astrophys. J. 902, id. 135 (2020), arXiv:2009.01895 [astro-ph.HE].
  74. E.O. Vasiliev and Y.A. Shchekinov, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 527, 8755 (2024), arXiv:2308.03106 [astro-ph.GA].
  75. R.P.A. Bettens, H.H. Lee, and E. Herbst, Astrophys. J. 443, 664 (1995).
  76. E.A. Bergin, P.F. Goldsmith, R.L. Snell, and W D. Langer, Astrophys. J. 482, 285 (1997).
  77. P. Pratap, J E. Dickens, R.L. Snell, M.P. Miralles, E A. Bergin, W.M. Irvine, and F.P. Schloerb, Astrophys. J. 486, 862 (1997).
  78. R. Terzieva and E. Herbst, Astrophys. J. 501, 207 (1998).
  79. B.T. Draine, Astrophys. J. 241, 1021 (1980).
  80. M.J. Kaufman and D.A. Neufeld, Astrophys. J. 456, 250 (1996).
  81. D.R. Flower and G. Pineau Des Forêts, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 406(3), 1745 (2010).
  82. B. Godard, G. Pineau des Forêts, P. Lesaffre, A. Lehmann, A. Gusdorf, and E. Falgarone, Astron. and Astrophys. 622, id. A100 (2019), arXiv:1901.04273 [astro-ph.GA].
  83. D.R. Flower and G. Pineau des Forets, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 268(3), 724 (1994).
  84. J. Rho, J.W. Hewitt, J. Bieging, W.T. Reach, M. Andersen, and R. Güsten, Astrophys. J. 834, id. 12 (2017), arXiv:1610.05459 [astro-ph.GA].
  85. N. Chartab, A. Cooray, J. Ma, H. Nayyeri, et al., Nature Astron. 6, 844 (2022), arXiv:2201.07478 [astro-ph.GA].
  86. S. Charlot and M. Longhetti, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 323, 887 (2001), arXiv:astroph/0101097.
  87. L.S. Pilyugin and E.K. Grebel, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 457, 3678 (2016), arXiv:1601.08217 [astro-ph.GA].
  88. E. Pérez-Montero and T. Contini, Monthly Not. Roy. Astron. Soc. 398, 949 (2009), arXiv:0905.4621 [astro-ph.CO].
  89. C.C. Steidel, G.C. Rudie, A.L. Strom, M. Pettini, et al., Astrophys. J. 795, id. 165 (2014), arXiv:1405.5473 [astro-ph.GA].

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».