КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-12-00383

НазваниеИсследование структуры и динамики околозвездных и межзвездных оболочек (астросфер) и их роли в образовании пекулярных остатков сверхновых

РуководительИзмоденов Владислав Валерьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук, г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2022 - 2023 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-704 - Физика и эволюция звезд и межзвездной среды

Ключевые словазвездные ветра, межзвездная среда, астросферы, гелиосфера, головные ударные волны, пылевые волны, остатки сверхновых

Код ГРНТИ41.23.21


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на исследование газодинамических структур (астросфер), возникающих при взаимодействии звездных ветров с межзвездной средой, и влияния этих структур на формирование остатков сверхновых. Данная область науки в настоящее время активно развивается, благодаря появлению новых наблюдений астросфер с высоким качеством изображений с помощью космических телескопов (Spitzer, Herschel, WISE и др.). В рамках Проекта-2019 нами был сделан значительный шаг вперед в области исследования взаимодействия звездных ветров с окружающей средой. В частности, нами были разработаны модели, с помощью которых были проанализированы многие факторы, определяющие или влияющие на глобальную структуру астросферы. К таким факторам относятся звездные и межзвездные магнитные поля, надтепловые (энергичные) частицы, как заряженные, так и нет, эффекты теплопроводности и высвечивания, пылевая компонента, различные неустойчивости. Были построены модели эволюции астросферы для звезды, проходящей эволюцию от стадии главной последовательности через стадию красного сверхгиганта до звезды Вольфа-Райе с последующим взрывом сверхновой внутри астросферы. Были построены астросферы некоторых двойных звезд. Для гелиосферы – наиболее доступной для нас астросферы – была построена модель эволюции захваченных протонов и образования из них энергичной нейтральной компоненты. Разработанные модели и программы являются инструментом для анализа наблюдательных данных по астросферам. Так, в рамках Проекта-2019 на основе разработанных моделей было открыто и/или исследовано множество астрофизических объектов. В созвездии Кассиопея была обнаружена кольцеобразная астросфера вокруг продукта слияния двух массивных белых карликов IPHAS J005311.21+673002.1 (результаты опубликованы в Nature). Проведены исследования звезды TYC 8606-2025-1 и необычной спиралевидной туманности вокруг нее. Была открыта астросфера вокруг [WO1]-звезды WR72, которая имеет вид кольцеобразного гало и центральной оболочки неправильной формы. Открыта осесимметричная астросфера вокруг эмиссионной звезды HD 93795. Проведено качественное сравнение результатов моделирования оболочки, образованной вокруг убегающей массивной звезды, с астросферой молодой звезды Вольфа-Райе HD 50896. В ходе продолжения проекта мы планируем провести более глубокий анализ некоторых результатов из уже рассмотренных задач, а также решить ряд задач, имеющих наибольшую актуальность в настоящее время. В Проекте-2022 нами предполагается несколько больше времени потратить на задачи, связанные с изучением границы гелиосферы (хотя большая часть предлагаемых задач актуальна и для других звезд). Это связано в первую очередь с тем, что после пересечения гелиопаузы космические аппараты Voyager 1 и 2 продолжают передавать данные из области возмущенной (солнечным ветром) межзвездной среды, и с продолжающейся миссией космического аппарата Interstellar Boundary Explorer (IBEX), измерения которого позволяют изучать спектральные и энергетические характеристики нейтральных атомов в гелиосфере. В научном сообществе растет интерес к данной теме исследования, что вызвано скорым запуском (в 2025 г.) нового космического аппарата Interstellar Mapping and Acceleration Probe – IMAP (NASA, США), а также планированием космических миссий Interstellar Probe (NASA, США), Chinese Interstellar Express (CNSA, Китай), и российского проекта по исследованию дальнего космоса Нуклон (Роскосмос). Исследование свойств границы гелиосферы и локальной межзвёздной среды будет являться одной из основных целей перечисленных миссий. В частности, мы планируем сосредоточиться над решением следующих задач: 1. Исследование влияния теплопроводности в области ударного слоя на глобальную структуру гелиосферы и на течение в области ударного слоя. 2. Влияние периодических изменений параметров звездного ветра на характер развития неустойчивости Кельвина-Гельмгольца на астропаузе/гелиопаузе. 3. Исследование влияния адиабатического охлаждения/нагрева на распределение захваченных протонов во внутреннем ударном слое. 4. Исследование проникновения частиц межзвездной пыли внутрь гелиосферы. 5. Параметрическое исследование задачи о взаимодействии звездного ветра с межзвёздной средой от числа Кнудсена. 6. Моделирование процесса стохастического ускорения захваченных протонов на флуктуациях магнитного поля. 7. Исследование влияния солнечного цикла на распределение пылевых частиц в гелиосфере. 8. Оценка возможности исследования распределения ЭНА по спектрам излучения и поглощения в линии Лайман-альфа.

Ожидаемые результаты
В рамках предлагаемого проекта ожидается получение следующих результатов: 1. Солнечная астросфера – гелиосфера. В рамках Проекта-2022 нами будет решена задача о влиянии теплопроводности на глобальную структуру гелиосферы – положения и формы гелиосферной ударной волны и гелиопаузы – и на структуру течения в области гелиосферного ударного слоя. Данная задача является “долгоживущей”. В адекватной постановке для анизотропной теплопроводности и реальных значений коэффициентов теплопроводности вдоль и поперек поля задачу не удавалось решить начиная с 2014 года, когда нами (в работе Izmodenov et al. 2014) была проведена первая оценка влияния теплопроводности (в сильно упрощенной формулировке). В упрощенных постановках задача рассматривалась в рамках Проекта-2019. В частности, анизотропная диффузия учитывалась нами в задаче об астросфере звезд Вольфа-Райе. Сложность учета теплопроводности в случае гелиосферы заключается в необходимости использовать неортогональные адаптивные вычислительные сетки, которые определяются течением, а не распределением магнитного поля. Учет анизотропной теплопроводности на таких сетках является известной проблемой. В рамках Проекта-2022 эта проблема будет окончательно решена. В результате решения задачи будет определено, насколько анизотропная теплопроводность приведет к уменьшению толщины гелиосферного ударного слоя. Мы надеемся, что учет анизотропной теплопроводности приведет к разрешению фундаментального противоречия между имеющимися в настоящее время результатами моделей глобальной гелиосферы и толщинами ударного слоя, которые были определены КА Вояджер 1 и 2. 2. Будет исследовано то, как степень ионизации межзвездной среды влияет на глобальную структуру астросферы. В настоящее время задача о взаимодействии звездного ветра с частично-ионизованной (заряженная компонента + атомы водорода) плазмой решена для гелиосферы. При этом используется кинетико-газодинамический подход. Несмотря на то, что постановку задачи легко обобщить и на произвольную астросферу, в действительности расчеты в рамках кинетико-газодинамического подхода были проведены для очень малого количества конкретных астросфер (например, Сириус, Альфа-Центавра и т.д.). В рамках данного проекта мы, проведя параметрические исследования, установим критерий (по числу Кнудсена), при выполнении которого для моделирования произвольной астросферы можно использовать одножидкостной подход (модель эффективного газа). При невыполнении этого критерия будут представлены результаты кинетико-газодинамической модели для разных значений числа Кнудсена. Решение данной задачи позволит вывести моделирование астросфер на качественно другой уровень, что, в свою очередь, должно повысить качество анализа множества экспериментальных данных по астросферам. 3. Нами также будет исследовано, как периодические изменения параметров звездного ветра влияют на устойчивость астропауз. Ожидается, что при некоторых значениях периода звездной активности будет происходить стабилизация астропаузы (тангенциального разрыва, отделяющего звездный ветер от межзвездной среды). Такая стабилизация поможет разрешить существующее в настоящее время противоречие между получаемой в численных моделях неустойчивостью астропауз (тангенциальных разрывов), являющейся неустойчивостью Кельвина-Гельмгольца, и наблюдаемыми устойчивыми структурами астросфер. 4. В рамках реализации Проекта-2022 модель переноса захваченных протонов в гелиосфере Baliukin et al. (2020, 2021), разработанная в ходе Проекта-2019, будет существенно усовершенствована. Нами будет исследован процесс стохастического ускорения захваченных протонов на флуктуациях (турбулентности) магнитного поля, будет решаться уравнение типа Фоккера-Планка методом стохастических дифференциальных уравнений с учетом энергетической диффузии. Поскольку популяция захваченных протонов является родительской по отношению к компоненте энергичных нейтральных атомов (ЭНА), учет энергетической диффузии необходим для интерпретации и объяснения данных наблюдений потоков ЭНА, проведенных инструментами IBEX-Hi/IBEX и INCA/Cassini и дающих определяющую информацию о свойствах границы гелиосферы. Мы также исследуем влияние процесса адиабатического охлаждения/нагрева во внутреннем ударном слое, вызванного расширением/сжатием потока солнечной плазмы, на энергетическое распределение захваченных протонов и потоки ЭНА. С использованием разработанной модели будет дана оценка вклада ЭНА в наблюдаемые интенсивности Лайман-α излучения для различных положений наблюдателя и направлений луча зрения. Анализ распределения ЭНА по спектрам излучения в линии Лайман-α может послужить новым инструментом для изучения границы гелиосферы, что особенно важно в свете планирования и скорого запуска космических миссий IMAP, Interstellar Probe, Chinese Interstellar Express и Нуклон, на борту которых планируется размещение приборов для измерения Лайман-α излучения. 5. В рамках проекта нами будет проведено детальное исследование траекторий пылевых частиц в окрестности гелиопаузы, что будет иметь ценность также и для других астросфер. Помимо этого, будет изучено нестационарное распределение межзвездной пыли в гелиосфере с помощью модели, в которой будут учтены все важнейшие физические эффекты (главным образом, нестационарное поведение гелиосферного токового слоя и влияние границ гелиосферы). Ожидается, что с помощью данной модели удастся ответить на вопросы, возникшие при анализе экспериментальных данных, полученных на КА Ulysses и Galileo (связанные с недостатком частиц пыли малых размеров в in situ измерениях, а также с изменением величины и направления потока пылевых частиц в 2005 году по данным с Ulysses). 6. Образовательный аспект. Участие в проекте молодого научного сотрудника, двух аспирантов и двух студентов (магистра и бакалавра) факультета физики ВШЭ. Студенты будут работать над построением моделей астросфер, изучая влияние тех или иных эффектов, а также участвовать в подготовке публикации полученных результатов. 7. Публикации. Полученные в ходе реализации проекта результаты будут опубликованы в ведущих журналах по тематике проекта (MNRAS, ApJ, A&A). Будет опубликовано не менее 8 статей в изданиях, индексируемых в базе данных «Сеть науки» (Web of Science) и входящих в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В 2022 г. в рамках проекта были получены следующие результаты: 1. Космические аппараты Вояджер 1 и 2 пересекли гелиопаузу на 122 а.е. (астрономических единиц) и 119 а.е в 2012 и 2018 годах соответственно. Это оказалось неожиданным, поскольку толщина внутренней части гелиосферного ударного слоя, полученная в рамках моделей глобальной гелиосферы была значительно (на 20 — 40 а.е.) больше. В работе Измоденова и др. (2014, doi: 10.1088/2041-8205/795/1/L7) было предложено, что учет электронной теплопроводности может привезти к значительному уменьшению толщины внутреннего ударного слоя. В рамках настоящего проекта РНФ были получены первые результаты в рамках новой трехмерной кинетико-МГД модели глобальной гелиосферы с учетом эффекта электронной теплопроводности. В бесстолкновительной плазме теплопроводность анизотропна и действует наиболее эффективно вдоль силовых линий магнитного поля. Проведенные численные расчеты показали, что, как и ожидалось, учет теплопроводности приводит к уменьшению толщины ударного слоя. Это позволяет разрешить проблему толщины ударного слоя и привести в согласие результаты численного моделирования и данные Вояджеров. 2. Проведено исследование влияния периодических изменений расхода массы звезды на устойчивость астропауз/гелиопаузы. Астропауза – тангенциальный разрыв, на котором при возникновении скачка касательных к разрыву скоростей с двух сторон появляется неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. В стационарном газодинамическом случае, задача о взаимодействии звёздного ветра с межзвёздной средой зависит от двух безразмерных параметров: χ — отношение терминальной скорости источника к скорости набегающего потока и M∞ — число Маха набегающего потока. При этом параметр χ отвечает за инкремент нарастания неустойчивости астропаузы. Чем больше χ отличается от 1, тем больше неустойчивость. Для гелиосферы параметр χ = 17, поэтому скачок тангенциальных скоростей на гелиопаузе существенен, и в случае стационарных граничных условий неустойчивость вполне ожидаема. Неустойчивость носит конвективный характер и сносится потоком за пределы расчётной области, что согласуется с линейным анализом. В рамках проекта показано, что при определённых значениях периода колебаний расхода массы звезды, неустойчивость астропаузы стабилизируется. Периодические изменения параметров звёздных ветров вполне ожидаемы. Для Солнца известен 11-летний солнечный цикл. В рамках проекта определены периоды колебаний, обладающие наилучшими стабилизирующими свойствами. Для параметров, характерных для гелиосферы наилучшая стабилизация достигается для колебаний с периодами в диапазоне от 1 до 4 лет. Кроме того, в работе исследована зависимость периода стабилизации тангенциального разрыва от амплитуды колебаний. Показано, что для больших амплитуд наилучшим образом стабилизируют астропаузу высокочастотные волны, а для маленьких амплитуд - низкочастотные (отмечено, что эффект существенно нелинейный). 3. Проведено исследование влияния адиабатического нагрева/охлаждения, вызванного сжатием/расширением потока солнечной плазмы, на распределение захваченных протонов во внутреннем ударном слое, а также на потоки энергичных нейтральных атомов (ЭНА). С использованием модели Baliukin et al. (2020, 2022) были рассчитаны профили функции распределения захваченных протонов по скоростям для различных положений во внутреннем ударном слое. Было показано, что адиабатический нагрев проявляется в уширении функции распределения захваченных протонов, и что влияние исследуемого процесса наиболее сильно заметно в хвостовой области гелиосферы, в то время как в головной области эффект менее выражен. Поскольку популяция захваченных протонов является родительской по отношению к компоненте энергичных нейтральных атомов, исследуемый процесс также оказывает существенное влияние на величины потоков ЭНА из внутреннего ударного слоя, которое также было детально исследовано. Показано, что процесс адиабатического нагрева/охлаждения приводит к увеличению потоков ЭНА. Адиабатический нагрев частично объясняет существующую количественную разницу между данными наблюдений прибора IBEX-Hi и результатами численных расчетов. Таким образом, корректный анализ данных наблюдений потоков ЭНА возможен только при помощи модели, которая учитывает процесс адиабатического нагрева/охлаждения. 4. Сравнение данных, полученных на космическом аппарате Ulysses, с данными астрономических наблюдений показывает, что частицы межзвездной пыли малых размеров (~10-100 нм) могут проникать в гелиосферу только частично. Причина кроется во влиянии гелиосферного магнитного поля, которое «выталкивает» эти частицы обратно в межзвездную среду. Величина возникающей электромагнитной силы зависит от заряда частиц. В данной работе мы провели детальное исследование процесса формирования заряда межзвездных пылевых частиц. Для вычисления заряда пылинок использовались различные подходы: 1) предположение равновесного (квазистационарного) заряда, 2) динамическое вычисление заряда вдоль траекторий пылинок, 3) вероятностный подход с вычислением функции распределения заряда. Результаты моделирования показывают, что равновесный заряд является достаточно точным приближением в гелиосфере. Величина равновесного заряда зависит от локальных свойств окружающей плазмы, которые в глобальной гелиосфере существенно неоднородны. Показано, что равновесный потенциал (величина, пропорциональная заряду, отнесенному к размеру частиц) принимает наибольшие значения (до ~30 В) во внутреннем ударном слое, где температура плазмы возрастает. В межзвездной среде значение потенциала составляет приблизительно 1-2 В, и является результатом фотоэмиссии, индуцированной межзвездными фотонами. При исследовании зависимости заряда пылинок от их размера было установлено, что величина равновесного потенциала убывает с увеличением размера частиц из-за «эффекта маленьких частиц». С использованием предположения равновесного потенциала было проведено моделирование концентрации межзвездной пыли в гелиосфере. Было показано, что частицы крупных размеров (~1000 нм) пересекают гелиосферный ударный слой практически беспрепятственно, в то время как мелкие частицы (~10 нм) обтекают гелиосферу подобно частицам плазмы межзвездной среды и не проникают в гелиосферу. Пылинки средних размеров (~100 нм) частично проникают в гелиосферу и достигают малых гелиоцентрических расстояний только из определенных областей на гелиопаузе. 5. Предложена простая газодинамическая модель (на основе данных OMNI на 1 а.е.) качественно воспроизводящая температуру солнечных протонов до 80 а.е. Показано, что основным механизмом нагрева солнечного ветра является нагрев в ударных волных и коротирующих ударных слоях. Нагрев протонов на ударных волнах является основным и достаточным для объяснения неадиабатического профиля температуры вплоть до 50 а.е. В дальнем ветре (более 50 а.е.) необходимо учитывать также источник нагрева протонов в результате резонансной перезарядки на нейтральных атомах водорода. 6. Проведено дополнительное исследование возвратной зоны течения в задаче о взаимодействии звезды с собственным магнитным полем с ненамагниченным набегающим потоком. Ранее было показано, что в случае медленного набегающего потока астропауза имеет трубчатую форму с образованием возвратного течения сразу за трубой в хвостовой области. В проведённом исследовании обнаружено, что для медленных набегающих потоков скорость течения в возвратной зоне сравнима со скоростью набегающего потока (но противоположена ему по направлению). При увеличении скорости набегающего потока до критического значения скорость в возвратном течении падает, фактически область возвратного течения превращается в зону застоя. При достижении критического значения скорости набегающего потока происходит бифуркация течения и образуется классическая параболическая форма астропаузы, при этом зона застоя пропадает.

 

Публикации

1. - МОДЕЛЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ОБЪЯСНЯЕТ «ТЕПЛУЮ ПОГОДУ» В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ ИКИ РАН, - (год публикации - ).

2. Корольков С.Д., Измоденов В.В. Shock-wave heating mechanism of the distant solar wind: Explanation of Voyager-2 data Astronomy & Astrophysics Letters, Volume 667, Article Number L5, Number of page(s) 13, Section Letters to the Editor (год публикации - 2022).

3. Корольков С.Д., Измоденов В.В. Взаимодействие сверхзвукового звездного ветра с набегающим потоком межзвездной среды: влияние азимутального магнитного поля звезды Известия РАН. Механика жидкости и газа, - (год публикации - 2023).

4. Корольков С.Д., Измоденов В.В. Stabilization of the astropause by periodic fluctuations of the stellar wind Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 518, Issue 3, Pages 4422–4427 (год публикации - 2023).

5. Стеркен В.Д., Баалманн Л.Р., Дрейн Б.Т., Годенко Е.А., Хербст К., Хсу Х.-В., Ханзикер С., Измоденов В.В., Лаллемен Р., Славин Д.В. Dust in and Around the Heliosphere and Astrospheres Space Science Reviews, 218, 71 (год публикации - 2022).