Российское образование мирового класса!

Цель Проекта 5-100 – максимизация конкурентной позиции группы ведущих российских университетов на глобальном рынке образовательных услуг и исследовательских программ.

НОВОСТИ


Звездная пыль, квазары и тайны Солнца

23 апреля 2021 года

Апрель – месяц, который может быть посвящен только одной теме в Год науки и технологий – «Освоение космоса». Совсем недавно весь мир отмечал 60-летие первого полета человека на околоземную орбиту. 

Мы до сих пор гордимся достижениями отечественной аэрокосмической отрасли, которая с середины прошлого столетия держит высокую планку и является лидером в этом направлении. Но кроме создания технологий, ученые, в том числе и из университетов Проекта 5-100, проводят множество интересных исследований, чтобы космос стал ближе и понятней.

За 64 года с момента запуска первого искусственного спутника Земли в 1957 г., в космос было отправлено большое количество различных летательных аппаратов и ракет. Но мало кто из обывателей задумывается, что сейчас околоземную орбиту засоряют тысячи частиц этой техники и деталей ракетных ступеней, которые несут в себе потенциальную угрозу как для действующих пилотируемых космических аппаратов, так и для обычных людей. Ведь если такой космический мусор, часто содержащий в себе ядерные или токсичные материалы, не полностью сгорит в атмосфере, то обломки могут упасть на населенные пункты, повредить транспортные коммуникации и промышленные объекты.

Решить проблему контроля движения искусственных объектов на околоземной орбите взялись ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». Они разработали мультиспектральную систему для видеомониторинга, которую предлагают устанавливать на вновь выводимые космические аппараты.

1280x854-razrabotchik-pavel-baranov.17d.jpg

На сегодняшний день наблюдение за космическим мусором ведется с помощью либо энергозатратных радиотелескопов (но они различают объекты размером более 10 см), либо оптических телескопов, способных обнаруживать космический мусор только в ночное время суток при хорошей погоде.

«Основными проблемами при решении задачи различения объектов искусственного и естественного происхождения являются низкая яркость, большая скорость движения – до нескольких километров в  секунду – и то, что форма оптического сигнала неотличима от сигнала звезд. Эти проблемы становятся особенно критичными в ситуации, когда угловые размеры объекта становятся меньше углового размера пиксела фотоприемника, что характерно для удаленной звезды или малогабаритного космического мусора», – поясняет руководитель проекта, заместитель заведующего кафедрой телевидения и видеотехники по научной работе Павел Баранов.

Установка системы прямо на космический аппарат даст возможность проводить видеомониторинг непрерывно, при этом относительная скорость наблюдаемых объектов будет значительно ниже по сравнению с наземными наблюдениями, а использование нескольких спектральных диапазонов позволит отличать естественные космические объекты от искусственных.

Помимо отслеживания падения космического мусора, важно вести наблюдение и за осколками метеоритов.

Ученые Уральского федерального университета совместно с коллегами из Университета Хельсинки и Финского института геопространственных исследований разработали и успешно апробировали первую в мире математическую модель, которая позволяет точно предсказывать места падения всех фрагментов метеоритов, а также определять их местонахождение на поверхности Земли.

«Наша планета ежегодно „принимает“ порядка 100 тысяч тонн метеоритов. Образно говоря, „почтовый ящик“ Земли и человечества до отказа забит „письмами“ и „посылками“ из космоса. Задача в том, чтобы своевременно собрать этот материал и заняться его интерпретацией. Среди важнейших научных вопросов, которые могут быть разъяснены, – сама гипотеза об образовании Солнечной системы. И наша модель приближает решение этой задачи», – рассказала Мария Грицевич, старший научный сотрудник лаборатории Extra Terra Consortium УрФУ и Финского института геопространственных исследований, доцент планетных исследований Университета Хельсинки.

Важность этой математической модели определяется тем, что удается точно установить координаты недавно упавших метеороидов, которые еще не успели окислиться и потерять свои первоначальные свойства, а это является экономичной альтернативой дорогостоящим космическим миссиям.

Также астрономам Уральского федерального университета и их коллегам из Центра астрофизики Университета Гуанчжоу удалось впервые зарегистрировать спиральные потоки падения вещества на массивную звезду и обнаружить новые виды мазерных молекул.

20200714_sverkhmassivnaja.jpg

Структура спиральных рукавов в гравитационно неустойчивом диске вокруг мазера HMYSO. Иллюстрация: Xi Chen, Zhi-Yuan Ren

Мазер (microwave amplification by stimulated emission of radiation) – источник вынужденного излучения, усиливающий микроволны. В космических молекулярных газовых облаках (мазерах), размером в миллиарды километров, возникают условия для генерации энергии, а источником ее накачки служит космическое излучение.

Исследование проводилось на телескопах Tianma radio telescope (TMRT, Китай) и Very Large Array (VLA, США). Это еще на шаг приблизило ученых к разгадке тайны формирования звезд большими массами.

В Сибирском федеральном университете также задаются вопросами образования и развития крупных космических тел, в данном случае – планет. Международная группа исследователей, куда вошел профессор кафедры прикладной механики СФУ, главный научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН Николай Еркаев, с помощью компьютерного моделирования доказала, что в процессе зарождения планет происходит интенсивная потеря легких химических элементов, тогда как тяжелые элементы принимают активное участие в придании окончательного облика планетам.

Николай Еркаев объясняет: «Потеря легких элементов, происходящая на стадии формирования „эмбрионов“ планет, приводит к преобладанию тяжелых элементов, наблюдаемому, в частности, на Земле. Все дело в том, что планетарные „зародыши“, имеющие размеры от нескольких сотен до нескольких тысяч километров, могут образовывать океаны раскаленной магмы благодаря взаимным столкновениям, гравитационной энергии и нагреву от короткоживущих радиоактивных элементов. При этом происходит выделение летучих элементов из океана магмы и формирование паровых атмосфер. Однако в процессе отвердевания магмы после охлаждения протопланетного диска паровая атмосфера начинает катастрофически улетучиваться и может быть полностью утрачена из-за гидродинамического истечения атмосферы в окружающее пространство под действием поглощаемого интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца. При этом убегающие атомы водорода, образующиеся при диссоциации молекул воды и водорода, будут вытягивать также более массивные элементы типа инертных газов (неон и аргон) и даже формирующие твердую кору элементы – калий, натрий, кремний, магний».

Кроме загадок зарождения планет и массивных звезд, ученых всего мира занимает тайна аномального нагрева солнечной короны, над которой лучшие умы бьются уже 70 лет.

Недавние расчеты уравнений магнитной газодинамики, произведенные физиками Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (Самарский филиал ФИАН), показали, что одним из наиболее вероятных переносчиков энергии в солнечной атмосфере являются альфвеновские волны.

AlfvenPointStill1.jpg

Иллюстрация альфвеновских волн. Источник: University of Michigan

 «Эти волны похожи на колебания натянутой струны с той разницей, что эта струна сделана из плазмы, закрепляемой магнитным полем, – рассказывает аспирант кафедры физики Самарского университета, младший научный сотрудник Самарского филиала ФИАН Сергей Белов. – Моим главным научным результатом на сегодняшний день является демонстрация влияния радиационного охлаждения и различных процессов нагрева плазмы на альфвеновские волны большой амплитуды. Это влияние заключается в том, что при одних определенных условиях волна может эффективнее отдавать свою энергию плазме, нагревая ее до наблюдаемых температур, а при других условиях волна, напротив, отдает энергию медленнее и переносит ее на большие расстояния из одних слоев солнечной атмосферы в другие. Таким образом, подобный результат, с одной стороны, расширяет наше понимание механизма нагрева с помощью альфвеновских волн, с другой стороны, он может быть полезен в контексте определения методов наблюдательного детектирования альфвеновских волн в короне и источника альфвеновских волн, наблюдаемых в солнечном ветре».

Самарские физики будут и дальше изучать физику плазмы Солнца. Ведь четкое понимание термоядерных процессов и плазменных эффектов, происходящих там, поможет создать здесь, на Земле, установки термоядерного синтеза, которые могут дать человечеству колоссальные объемы энергии.

Но количество энергии, испускаемой Солнцем, в миллиарды и триллионы раз меньше, чем то, что производят квазары.

Само слово «квазар» дословно расшифровывается как «похожий на звезду радиоисточник» (quasi-stellar + radiosource). Сияние квазаров настолько яркое, что их называют маяками Вселенной, а мощность испускаемого ими излучения иногда превосходит в десятки и сотни раз суммарную мощность всех звезд таких галактик, как наша.

Квазар как астрономический объект не укладывается ни в какую классификацию. По сути, это активное галактическое ядро, своеобразный «зародыш» галактики. В центре газопылевого облака – черная дыра массой до нескольких миллиардов масс Солнца, всасывающая всё вокруг. Притянувшиеся частицы под воздействием магнитного поля собираются в пучки-джеты, разлетающиеся от полюсов черной дыры, и получившееся плазменное излучение затмевает свет от находящихся в галактике звезд.

Ранее считалось, что джеты имеют форму конусов. Но черная дыра не может ускорять частицы бесконечно, скорость вращения неизбежно должна падать, а геометрия джета – меняться с параболы на конус.

Коллективу ученых из России, Германии, Финляндии и США, куда вошли физики из МФТИ, недавно впервые удалось получить детальные данные о геометрии струйных выбросов для большого количества квазаров и доказать, что изменение формы джетов – это не единичное явление, а свойство квазара как класса.

STScI-01EVSTSDR7PXE9NV3E0XEFKT5Q.png

Иллюстрация центра квазара. На ней видны: вращающийся аккреционный диск из пыли и газа, черная дыра, плазменная струя и закрученное магнитное поле в основании выброса и облака межзвездного газа вокруг струи / hubblesite.org

«Вопрос о механизме формирования и ускорения струй в далеких активных галактиках до сих пор плохо понят. А разобраться в принципах работы этих космических ускорителей крайне важно. Область, в которой джеты формируются, сложно рассмотреть. Она очень компактная, а объекты находятся далеко – там все просто сливается вместе. Были разные теоретические модели, но не было наблюдательной информации, которая могла бы их проверить», – говорит Юрий Ковалев, член-корреспондент РАН, руководитель научных лабораторий в МФТИ и ФИАН.

Чтобы получить изображения более 300 объектов, ученые на протяжении двух десятков лет анализировали данные мировой сети радиотелескопов.

В нашей Вселенной много загадок, но ученые, благодаря постоянным наблюдениям за астрономическими объектами, созданию новых систем мониторинга и скрупулезным расчетам, решают их одну за другой.

О новых технологиях для аэрокосмической отрасли читайте в следующей части нашего обзора.