Согласно современным представлениям, образование звезд малых масс начинается в так называемых дозвездных ядрах - плотных (>10^5 cm^-3) холодных (~10 К) сгустках внутри молекулярных облаков - гигантских областей межзвездной среды, наполненных космической пылью и, преимущественно, молекулярным газом. Дозвездные ядра отличаются относительно простой морфологией: имеют форму, близкую к сферической, радиальное распределение плотности, как правило, хорошо описываемое степенным законом, и практически постоянную по радиусу температуру. Радиолинии молекул, наблюдаемые в направлении на дозвездные ядра, имеют ширины, соответствующие дозвуковому характеру турбулентности газа, и профили, близкие к гауссовым, что указывает на отсутствие ненаблюдаемых внутренних источников энергии. Относительная простота устройства дозвездных ядер делает их идеальными "природными лабораториями", позволяющими исследовать протекание различных химических и физических процессов, а также универсальность физических законов в Галактике.
Дозвездные ядра особенно ярко характеризуются двумя явлениями - "вымерзанием" молекул из газа на пыль, и фракционированием изотопов химических элементов в молекулах. "Вымерзание" молекул в холодном плотном газе обусловлено физической адсорбцией молекул на поверхность межзвездных пылевых частиц. При температурах, характерных для дозвездных ядер (~10 K), эффективно физисорбирют все атомы и молекулы, за исключением молекулярного водорода и гелия. В частности, эффективно вымерзает молекула CO, образуя хорошо видимые в наблюдениях области с пониженным содержанием CO в газе в центральных областях дозвездных ядрах. Фракционирование изотопов при химических реакциях в рамках физической химии объясняется особенностями термодинамики и кинетики реакций. Оно наиболее эффективно в случае водорода и дейтерия, поскольку отношение масс протона и дейтерия составляет 1:2 - значение, недостижимое для стабильных изотопов других химических элементов. Эффективное фракционирование дейтерия приводит к тому, что хотя число атомов дейтерия по отношению к числу атомов водорода (D/H) во Вселенной составляет около 1.5x10^-5, в холодных (Т~10 K) дозвездных ядрах отношения содержаний дейтерированных и содержащих основной изотоп водорода молекул (например, N(N2D+)/N(N2H+)) может достигать десятков процентов.
Научная значимость обозначенной проблемы, таким образом, заключается, во-первых, в возможности непосредственного экспериментального (посредством наблюдений) исследования универсальности фундаментальных законов физической химии, описывающих физисорбцию атомов и молекул и фракционирование изотопов в химических реакциях, в условиях космоса. Во-вторых, детальное систематическое исследование особенностей фракционирования дейтерия в дозвездных ядрах позволит изучить связь этого явления с процессом образования звезд солнечного типа, и исследовать его диагностический потенциал для решения астрофизической задачи об эволюции протозвездных облаков.
Актуальность обозначенной проблемы, в свою очередь, обусловлена появлением в последние годы наблюдательных данных о распределении молекул, в том числе и дейтерированных, в дозвездных ядрах, полученных с беспрецедентным угловым разрешением. Новые данные содержат закономерности, требующие подробного изучения как противоречащие имеющимся теоретическим предсказаниям. В частности, предсказанная ранее положительная корреляция между степенью вымерзания молекулы CO и отношением содержаний дейтерированных и обычных изотопологов молекул, не выполняется для некоторых плотных ядер в молекулярных облаках Персея и Змееносца. Выяснение причин этого необходимо для уточнения наших представлений о протекании физико-химических процессов в космосе, а также для наложения ограничений на современные модели химической эволюции межзвездной среды.
