Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021 году в рамках проекта было выполнено моделирование структуры течений космической плазмы и нетепловых процессов формирования излучения в области обтекания магнитосферы Земли солнечным ветром, в пульсарных туманностях и при взаимодействии релятивистского истечения пульсара с ветром звезды раннего спектрального класса. Среди полученных результатов: (i) Разработана кинетическая модель взаимодействия разрывов в солнечном ветре с магнитосферой Земли. Показано, что после пересечения разрывом ударной волны плотность электрического тока в нём усиливается, при этом наличие вблизи точки взаимодействия ионов высокой энергии приводит к более эффективному усилению тока. Этот результат может быть важен для предсказания возмущений магнитосферы Земли. Результаты моделирования хорошо согласуются с наблюдениями и показывают, что разрыв может пересечь головную ударную волну на границе магнитосферы Земли, сохраняя свою структуру. Влияние вращательных разрывов на динамику ускоренных частиц может проявляться и в других астрофизических объектах, в частности, в пульсарных туманностях. (ii) Построена двумерная магнитогидродинамическая модель столкновения остатка коллапсировавшей сверхновой звезды с ветром вращающейся звезды класса О. Показано, что фронт ударной волны остатка распространяется по ветру со высокой скоростью, а некоторая часть кинетической энергии, выделяемой при этом столкновении, термализуется, нагревая газ до рентгеновских температур. Также показано, что величина магнитного поля в плотных фрагментах такой системы может достигать 200 миллиГаусс. Благодаря высокому разрешению построенной модели, на синтетических изображениях отчётливо видны мелкомасштабные особенности течений на границах раздела вещества из разных сред. Полученные модельные данные об эволюции плотности, магнитного поля и температуры в зоне столкновения будут использованы для интерпретации данных наблюдений и исследования процессов ускорения частиц и генерации жесткого излучения в скоплениях молодых звезд. (iii) Выполнено моделирование структуры суб-релятивистских бесстолкновительных ударных волн. Исследована зависимость эффективности ускорения электронов и протонов от угла наклона магнитного поля. Обнаружено подавление ускорения электронов на временах, сравнимых с временем развития магнитогидродинамических неустойчивостей, вызванных токами ускоренных энергичных протонов и приводящих к увеличению среднего угла наклона магнитного поля по отношению к скорости распространения ударной волны. (iv) Развита гибридная модель, описывающая ускорение частиц, усиление магнитных полей и профили течения вблизи фронта релятивистской бесстолкновительной ударной волны в электрон-позитронной плазме. Использование метода Монте-Карло позволило значительно увеличить масштабы моделируемых объектов по сравнению с мелкомасштабными расчетами методом particle-in-cell, существенно ограниченными современными вычислительными мощностями. (iv) Выполнено моделирование спектров двойной системы LS 5039, содержащей массивную звезду и компактный релятивистский объект. Сравнение построенных моделей с многоканальными данными, полученными на орбитальных обсерваториях XMM-Newton, Suzaku, NuSTAR, INTEGRAL и COMPTEL для двух орбитальных фаз вблизи нижнего и верхнего соединений этой системы позволило обнаружить спектральный излом, который, вероятно, указывает на активные процессы ускорения энергичных лептонов в области взаимодействия ветра массивной звезды и истечения релятивистского компаньона. (v) Выполнено МГД моделирование структуры плазменных течений в пульсарной туманности, обтекаемой умеренно сверхзвуковым потоком вещества родительского остатка сверхновой. На основе этой модели рассчитана карта синхротронного рентгеновского излучения туманности и выполнено сравнение результатов моделирования с наблюдениями туманности Vela, полученными орбитальным телескопом Chandra. Показано, что построенная модель способна корректно объяснить ряд наблюдаемых особенностей структуры джетов данной туманности. Показано, что даже относительно медленное дозвуковое движение пульсара сильно влияет на наблюдаемую структуру пульсарной туманности. Одна и та же медленно движущаяся туманность при наблюдении с наветренной стороны может иметь структуру, подобную одноторовой Крабовидной туманности (с одним ярким тором, джетом, ярким внутренним кольцом, динамическими жгутообразными структурами), а с подветренной – подобную туманности Vela с двумя стабильными яркими торами, разделенными тусклой областью. Также показано, что медленное движение пульсара способно производить достаточно быструю переменность в структуре течений и магнитных полей пульсарной туманности. Для модели, воспроизводящей структуру Крабовидной туманности, обтекание приводит к переменности расстояния от пульсара до ближайшей точки фронта ударной волны торможения его ветра, а также к переменности амплитуды магнитного поля за экваториальной частью фронта на масштабе нескольких месяцев. (vi) Построена оригинальная модель ускорения протонов звездного ветра в области столкновения релятивистского истечения от компактного объекта с ветром звезды класса Be. Эта модель применена к системе пульсара PSR J2032+4127 и звезды MT91 213 в области Лебедя. Показано, что при кратковременном прохождении пульсара через диск Be звезды быстрое ускорение протонов до десятков петаэлектронвольт (ПэВ) в сочетании с пороговым характером фотомезонного процесса излучения при взаимодействии протонов с излучением звезды позволяют трансформировать значительную долю энерговыделения пульсара в энергию мощной вспышки в гамма-лучах и нейтрино в ПэВ диапазоне. Это позволяет объяснить обнаруженную в эксперименте ИЯИ РАН Carpet-2 вспышку суб-ПэВ фотонов и одновременное детектирование в эксперименте IceCube нейтрино с энергией около 150 ТэВ от источника в области Лебедя. Модель предсказывает наличие в Галактике очень мощных вспышек ПэВ фотонов и нейтрино от двойных гамма источников с массивной звездой. Поиск ПэВ-вспышек возможен, в частности, с гамма и нейтринными обсерваториями нового поколения. По результатам исследований, проведенных в ходе выполнения данного проекта, а также при поддержке завершенного проекта РНФ 16-12-10225, член научного коллектива Ю.А. Кропотина подготовила и представила к защите диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук на тему “Гибридное моделирование бесстолкновительных ударных волн в многокомпонентной плазме остатков сверхновых, скоплений галактик и солнечного ветра”. Диссертация опубликована на официальном веб-сайте ФТИ им. А.Ф. Иоффе www.ioffe.ru, защита состоится 9 декабря 2021 года.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 году в рамках проекта было выполнено моделирование комплексных процессов ускорения частиц и генерации нетеплового излучения в быстрых течениях космической плазмы с ударными волнами. В частности: (i) Построена модель структуры головной ударной волны Земли на участке с низким магнитным полем. Показано, что в этом случае плазменные неустойчивости приводят к мощным флуктуациям магнитного поля и плотности, а также к сильному искажению поверхности фронта. В этом случае орбитальный детектор, пересекающий ударный фронт, будет регистрировать сильные квазипериодические осцилляции всех плазменных параметров и магнитного поля, группирующиеся в волновые пакеты. Результаты моделирования хорошо воспроизводят наблюдения, выполненные на орбитальной миссии MMS и позволяют применять модель к удаленным объектам с горячей плазмой, в частности, к скоплениям галактик. Известно, что бесстолкновительные ударные волны являются эффективными ускорителями частиц до энергий, существенно выше тепловых. В рамках проекта показано, что ускорение частиц протекает быстрее и эффективнее, если фронт ударной волны взаимодействует с вращательными разрывами в натекающем потоке вещества. Такие разрывы часто возникают в солнечном ветре и в среднем раз в 10 минут сталкиваются с магнитосферой Земли, поэтому их влияние на ускорение частиц в окрестности магнитосферы может оказаться весьма значительным. Подобных эффектов можно ожидать и в других астрофизических системах, в частности, в остатках сверхновых звезд. (ii) Выполнено трехмерное магнитогидродинамическое моделирование потоков межзвездной плазмы в массивном скоплении молодых звезд на стадии эволюции, доминированной взаимодействием мощных звёздных ветров. Изучено распределение механической энергии, вносимой звёздными ветрами, между плазменными течениями, тепловым нагревом и магнитными полями в скоплении, а также его объемная структура. Получены оценки величины магнитного поля, плотности, температуры и скорости внутри скопления. Обнаружено, что магнитные поля в ядре скопления имеют сильно перемежаемую волокнистую структуру. Протяжённые волокна усиленного до сотен раз магнитного поля обволакивают ветры наиболее мощных звезд. Эти усиленные поля дополнительно сжаты горячим газом высокого давления, образующимся в центральных областях ядра скопления при столкновении звездных ветров. Показана эффективность трансформации механической энергии звездных ветров в тепловую в ядре скопления. (iii) Исследованы процессы ускорения частиц в окрестности трансрелятивистских ударных волн, возникающих в ряде астрофизических объектов. Показано, что такие волны могут ускорять частицы до энергий петаэлектроновольтного диапазона. Выполнено моделирование ударных волн со скоростями порядка десятых долей скорости света, в среде с параметрами, соответствующими быстрому оптическому транзиенту CSS161010. Построена функция распределения электронов в этом объекте и вычислен спектр его радиоизлучения. Сопоставление расчетного спектра с наблюдаемым позволило оценить концентрацию частиц, величину магнитного поля и характерный размер источника излучения в CSS161010. (iv) Выполнено моделирование ускорения частиц в области столкновения пульсарного ветра и натекающего потока в пульсарных туманностях с головными ударными волнами. В случае туманности PSR J1740+1000 продемонстрировано, что ускорение по механизму Ферми в сходящихся течениях может на два порядка повысить ее светимость в дальнем ультрафиолетовом диапазоне (125-200 нм). Показано, что в случае пульсарной туманности Vela учет влияния натекающего потока позволяет приблизить модельное значение ее рентгеновской светимости к наблюдаемому. (v) На основе моделирования ударных волн С-типа в плотной межзвездной среде предложено объяснение наблюдаемых особенностей мазерного излучения в линиях СН3ОН в источниках, ассоциированных с остатками сверхновых, а также в облаках центральной молекулярной зоны Галактики. (vi) Выполнено моделирование рентгеновского излучения галактического остатка сверхновой G18.95-1.1. Сравнение модельных спектров с данными, полученными на российско-германской орбитальной обсерватории Спектр-Рентген-Гамма, позволило обнаружить повышенное содержание кремния в ряде плотных фрагментов в южной части оболочки ОСН. Асимметричная морфология G18.95-1.1 и его специфические спектры могут быть объяснены в рамках сценария взрыва коллапсирующей сверхновой в звездный ветер массивной звезды-предшественника. Сравнение моделей с наблюдательными данными также позволило оценить расстояние до G18.95-1.1 в 3 кпк, а массу излучающего в рентгеновском диапазоне вещества оболочки – в несколько масс Солнца. По результатам исследований, проведенных в ходе выполнения данного проекта, а также при поддержке завершенного проекта РНФ 16-12-10225, член научного коллектива аспирант М.Е. Каляшова защитила выпускную квалификационную работу в СПбПУ, а также подготовила к защите диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта и опубликованные в статье “PeV Photon and Neutrino Flares from Galactic Gamma-Ray Binaries,” A.M. Bykov et al., 2021, ApJL, 921, L10 (doi:10.3847/2041-8213/ac2f3d), в 2022 году были отмечены Американским астрономическим обществом в числе наиболее интересных результатов, опубликованных в журналах ААО: https://aasnova.org/2022/02/04/winding-up-to-a-quadrillion-electronvolts-of-energy/

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году в рамках проекта было выполнено моделирование комплексных процессов ускорения частиц и генерации нетеплового излучения в быстрых течениях космической плазмы с ударными волнами. В ряде случаев также удалось количественно сопоставить эти модели с новыми наблюдательными данными. (i) Построена модель и выполнено сопоставление с имеющимися данными измерений структуры головной ударной волны на границе магнитосферы Земли в периоды слабого магнитного поля. Изучена природа возникающих при этом сильных вариаций магнитного поля, их спектральные и поляризационные характеристики. Показано, при каких параметрах ударной волны меняется природа и характеристики возникающих электромагнитных волн. Полученные результаты могут также найти применение при изучении ударных волн, возникающих в горячей плазме скоплений галактик или в молодых остатках сверхновых. Показано, что взаимодействие вращательных разрывов с ударной волной может способствовать более быстрому и эффективному ускорению ионов до энергий выше тепловых. При этом с ростом числа разрывов возрастает максимальная достижимая на данный момент энергия частиц. Исследованы траектории ускоряющихся частиц и показано, что примерно половина из них захватывается вращательным разрывом и сносится к фронту ударной волны, приобретая при этом дополнительную энергию. Этот результат может иметь важное значение для понимания процесса ускорения космических лучей. (ii) Выполнено трёхмерное магнитогидродинамическое моделирование плазменных потоков, образующихся в результате вспышки сверхновой внутри компактного скопления массивных звёзд. Показано, что структура магнитных полей и высокоскоростные ударные потоки плазмы в такой системе благоприятствуют ускорению как протонов, так и электронов, до энергий существенно выше 1 тераэлектроновольта (ТэВ). (iii) Проведены наблюдения компактного скопления массивных звезд Westerlund 2 с рентгеновским телескопом ART-XC им. М.Н. Павлинского на борту космической обсерватории Спектр-Рентген-Гамма и выполнен их совместный анализ с архивными данными телескопа Chandra. Сопоставление наблюдательных данных с моделями столкновения звездных ветров, разработанными в данном проекте, показало, что наблюдаемая картина объяснима, если наряду с излучением плазмы, нагретой сталкивающимися ветрами до десятков миллионов градусов, в скоплении генерируется также и нетепловое синхротронное излучение электронов и позитронов высоких энергий. Частицы с энергиями выше десятков ТэВ ускорены в процессе столкновения мощных ветров молодых массивных звезд в скоплении. (iv) Построена новая модель структуры течений и ускорения высокоэнергичных частиц в двойной звездной системе, состоящей из нейтронной звезды (пульсара) и массивной молодой звезды. Изучена область столкновения двух мощных истечений этих звезд – релятивистского ветра пульсара и экваториального ветра массивной звезды, обладающего сильным магнитным полем. Показано, что это поле существенно влияет как на структуру течений, вынуждая формируемую пульсарным ветром туманность вытягиваться вдоль его направления, так и на ускорение частиц, способствуя его эффективности. Показано, что подобная система может позволить ускорить протоны до энергий, значительно превышающих 1000 ТэВ. (v) Предложен новый сценарий для объяснения наблюдаемой в пульсарной туманности Vela цепочки рентгеновских узлов, основанный на развитой ранее в ходе данного проекта модели структуры течений в этом объекте. Показано, что эти узлы могут являться результатом генерации гигантских плазмоидов – плазменных сгустков, возникающих в процессе пересоединения магнитного поля – условия для которой в двухторовых туманностях типа Vela формируются лишь на периферии туманности, в результате чего в ней образуется двойное узловатое «внешнее кольцо» (в отличие от одиночного «внутреннего кольца» Крабовидной туманности). (vi) Выполнен анализ данных наблюдений остатка сверхновой (ОСН) G18.1-0.1, проведенных рентгеновским телескопом eROSITA на борту космической обсерватории Спектр-Рентген-Гамма. Построены изображение и рентгеновские спектры излучения этого остатка, расположенного в сложной для анализа диффузной области вблизи центра Галактики. На основе моделирования наблюдаемого спектра теплового излучения G18.1-0.1 впервые обнаружен избыток кремния, обилие которого оказалось примерно в 2 раза выше солнечного. По результатам исследований, проведенных в ходе выполнения данного проекта член научного коллектива - аспирант М.Е. Каляшова 20 апреля 2023 г. успешно защитила диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук на тему «Скопления молодых массивных звезд как источники космических лучей и нетеплового излучения» и была принята на работу в штат научных сотрудников ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта и опубликованные в статье “X-ray emission from Westerlund 2 detected by SRG/ART-XC and Chandra: search for radiation of TeV leptons”, A.M. Bykov et al., 2023,MNRAS,525, 1553, были отмечены в пресс-релизах Российской Академии наук: https://new.ras.ru/activities/news/rossiyskiy-rentgenovskiy-teleskop-art-xc-observatorii-spektr-rg-pomogaet-vyyasnit-prirodu-istochniko/и Российского Космического агентства: https://www.roscosmos.ru/39646/ .