Математическое моделирование нелинейных кинетических процессов в космической плазме

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 21-72-20020

НазваниеМатематическое моделирование нелинейных кинетических процессов в космической плазме

Руководитель Быков Андрей Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова нелинейная кинетика ускоренных частиц в космической плазме, ударные волны в межзвездной среде, почастичное моделирование плазмы

Код ГРНТИ41.17.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагаемый проект посвящен моделированию нелинейной кинетики космической плазмы в широком диапазоне энергий и масштабов. Эти исследования мотивированы, в первую очередь, быстро растущими объемами и качеством данных, получаемых как при прямой регистрации нетепловых частиц (космических лучей различных сортов и зарядовых состояний) и прямых измерениях электромагнитных полей космическими аппаратами в гелиосфере и в магнитосфере Земли, так и при наблюдениях многоволнового излучения энергичных объектов дальнего космоса, таких как остатки сверхновых звезд, пульсарные туманности, аккрецирующие черные дыры, источники гамма-всплесков и источники быстрых радио-всплесков. Возможность проведения запланированных исследований в ближайшие годы обусловлена как наращиванием доступных вычислительных мощностей, так и развитием в научном коллективе многомасштабных численных моделей объектов указанных типов. В рамках данного проекта на основе количественных моделей бесстолкновительных течений космической плазмы различного состава будут выполнены расчеты эволюции флуктуирующих магнитных полей, ускорения частиц и нетеплового излучения в ряде энергичных объектов от головной ударной волны земной магнитосферы, до пульсарных туманностей, оболочек остатков сверхновых и быстрых истечений в центрах галактик. Эти расчеты будут проведены на мощностях ОИ (МСЦ РАН) как с помощью развиваемых в коллективе particle-in-cell моделей эволюции плазмы на микроскопическом уровне, так и с помощью оригинальной Монте-Карло модели, позволяющей учесть крупномасштабное нелинейное влияние распределений ускоренных частиц на течения плазмы, а также с авторскими модификациями МГД-кода PLUTO и других подобных инструментов. Сравнение модельных расчетов с современными наблюдательными данными высокого разрешения позволит получить уникальную информацию о происхождении и эволюции активных источников космического излучения и исследовать фундаментальные процессы преобразования энергии быстрых плазменных течений в нетепловое излучение в условиях, недостижимых в наземных лабораториях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кропотина Ю.А., Вебстер Л., Артемьев А.В., Быков А.М., Вайнштейн Д.Л., Васко И.Ю. Solar Wind Discontinuity Transformation at the Bow Shock The Astrophysical Journal, v. 913, id. 142 (18pp) (год публикации - 2021)
10.3847/1538-4357/abf6c7

2. Фаланга М., Быков А.М., Ли Ж., Красильщиков А.М., Петров А.Е., Боццо Э. Phase-resolved hard X-ray emission of the high-mass binary LS 5039: a spectral hardening above 50 keV detected with INTEGRAL Astronomy and Astrophysics, v. 654, id. A127 (7pp) (год публикации - 2021)
10.1051/0004-6361/202141102

3. Чуразов Е.М., Хабибуллин И.И., Быков А.М., Чугай Н.Н., Сюняев Р.А., Зинченко И.И. SRG/eROSITA discovery of a large circular SNR candidate G116.6−26.1: SN Ia explosion probing the gas of the Milky Way halo? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 507, pp. 971–982 (год публикации - 2021)
10.1093/mnras/stab2125

4. Быков А.М., Петров А.Е., Каляшова М.Е., Троицкий С.В. PeV Photon and Neutrino Flares from Galactic Gamma-Ray Binaries The Astrophysical Journal Letters, v. 921, id. L10 (год публикации - 2021)
10.3847/2041-8213/ac2f3d

5. Бадмаев Д.В., Быков А.М. Wind of a young massive star colliding with a supernova remnant shell Journal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

6. Красильщиков А.М., Пширков М.С., Быков А.М. A search for variability of hard X-ray emission from the Vela pulsar wind nebula Journal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

7. Кропотина Ю.А., Артемьев А.В., Быков А.М., Вайнштейн Д.Л. Interaction of rotational discontinuities with energetic ions in the precursor of the Earth’s bow shock Journal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

8. Осипов С.М., Быков А.М., Лемуан М. Self-consistent Monte Carlo model of particle acceleration by relativistic shocks ournal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

9. Романский В.И., Быков А.М., Осипов С.М. On electron acceleration by mildly-relativistic shocks: PIC simulations Journal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

10. Левенфиш К.П., Пономарев Г.А., Петров А.Е., Быков А.М., Красильщиков А.М. Slow motion pulsar wind nebulae Journal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

11. Пономарев Г.А., Левешфиш К.П., Петров А.Е. Jet and counter-jet in transonic pulsar wind nebulae Journal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

12. Быков А.М., Уваров Ю.А., Чуразов Е.М., Гильфанов Е.М., Медведев П.С. Spatially resolved X-ray spectra of the galactic SNR G18.95-1.1: SRG/eROSITA view Astronomy and Astrophysics, 661, A19 (год публикации - 2022)
10.1051/0004-6361/202141024

13. Нестеренок А.В. Modelling cosmic masers in C-type shock waves – the coexistence of Class I CH3OH and 1720 MHz OH masers Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 509, Issue 3, January 2022, Pages 4555–4572 (год публикации - 2022)
10.1093/mnras/stab3303

14. Сасаки М., Нис Й., Хаберл Ф., Митра Ч., Керп Ю., Быков А.М. и др. First studies of the diffuse X-ray emission in the Large Magellanic Cloud with eROSITA Astronomy and Astrophysics, 661, A37 (год публикации - 2022)
10.1051/0004-6361/202141054

15. Быков А.М., Каляшова М.Е. Modeling of GeV-TeV gamma-ray emission of Cygnus Cocoon Advances in Space Research, Volume 70, Issue 9, 1 November 2022, Pages 2685-2695 (год публикации - 2022)
10.1016/j.asr.2022.01.029

16. Быков А.М., Романский В.И., Осипов С.М. Particle Acceleration in Mildly Relativistic Outflows of Fast Energetic Transient Sources Universe, v. 8, 32 (год публикации - 2022)
10.3390/universe8010032

17. Быков А.М., Осипов С.М., Романский В.И. Acceleration of Cosmic Rays to Energies above 10(15) eV by Transrelativistic Shocks Journal of Experimental and Theoretical Physics, v. 134, pp. 487–497 (год публикации - 2022)
10.1134/S1063776122040161

18. Хербст К., Баальман Л., Быков А.М. Astrospheres of Planet-Hosting Cool Stars and Beyond · When Modeling Meets Observations Space Science Reviews, v. 218, id. 29 (год публикации - 2022)
10.1007/s11214-022-00894-3

19. Перри С., Быков А., Фар Х., Фихтнер Х., Джакалоне Дж. Recent Developments in Particle Acceleration at Shocks: Theory and Observations Space Science Reviews, v. 218, id. 26 (год публикации - 2022)
10.1007/s11214-022-00892-5

20. Бадмаев Д.В., Быков А.М., Каляшова М.Е. Inside the core of a young massive star cluster: 3D MHD simulations Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 517, Issue 2, December 2022, Pages 2818–2830 (год публикации - 2022)
10.1093/mnras/stac2738

21. Е. Чуразов, И. Хабибуллин, А.М. Быков и др. Tempestuous life beyond R500: X-ray view on the Coma cluster with SRG/eROSITA II. Shock and relic Astronomy and Astrophysics, v. 670, id. A156 (год публикации - 2023)
10.1051/0004-6361/202244021

22. Быков А.М., Уваров Ю.А., Гильфанов М.Р., Медведев П.С. Morphology and Spectra of the Galactic Supernova Remnant G18.1-0.1 from SRG/eROSITA Data Astronomy Letters, Vol. 49, No. 1, pp. 18–23 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063773723010024

23. Быков А.М., Уваров Ю.А., Каляшова М.Е., Бадмаев Д.В. и др. X-ray emission from Westerlund 2 detected by SRG / ART-XC and Chandra : search for radiation of TeV leptons Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 525, pp. 1553–1561 (год публикации - 2023)
10.1093/mnras/stad2356

24. Каляшова М.Е., Быков А.М., Бадмаев Д.В. Cosmic Ray Enrichment with 22Ne in Young Massive Star Clusters Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 87, No. 7, pp. 1023–1026. (год публикации - 2023)
10.3103/S1062873823702313

25. Ю.А. Кропотина, А.А. Петрукович, О.М. Чугунова, А.М. Быков Weibel-dominated quasi-perpendicular shock: hybrid simulations and in situ observations Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 524, Issue 2, pp.2934-2944 (год публикации - 2023)
10.1093/mnras/stad2038

26. Романский В.И., Быков А.М., Осипов С.М. Particle-in-Cell Modeling of Cosmic Ray Acceleration in Fast Blue Optical Transients Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, vol. 87, issue 7, pp. 884-886 (год публикации - 2023)
10.3103/S1062873823702647

27. Пономарев Г.А.,Фурсов А.Н.,Фатеева С.С., Левенфиш К.П., Петров А.Е., Красильщиков А.М. On the Origin of Knots in the Vela Nebula Astronomy Letters, Volume 49, Issue 2, p.65-79 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063773723020032

28. Романский В.И., Быков А.М., Осипов С.М. Kinetic modeling of MHD parameters of mildly-relativistic shocks St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics, v. 16, pp. 461–466 (год публикации - 2023)
10.18721/JPM.161.270

29. Михайлидис, М., Пюльхофер Г., Бекер В., Фрайберг М., Мерлони А., Сантанджело А., Сасаки М., Быков А.М. и др. Study of X-ray emission from the S147 nebula with SRG/eROSITA: X-ray imaging, spectral characterization, and a multiwavelength picture Astronomy and Astrophysics, v. 689, id. A277 (год публикации - 2024)
10.1051/0004-6361/202449424

30. Бадмаев Д.В., Быков А.М., Каляшова М.Е. Core-collapse supernova inside the core of a young massive star cluster: 3D MHD simulations Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 527, pp. 3749–3760 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stad3389

31. Романский В.И., Быков А.М., Осипов С.М. Cosmic ray acceleration and non-thermal emission from fast luminous optical transient sources Advances in Space Research, v. 74, pp. 4290–4301 (год публикации - 2024)
10.1016/j.asr.2024.02.018

32. Хабибуллин И.Н., Чуразов Е.М., Быков А.М., Чугай Н.Н., Зинченко И.И. Discovery of a one-sided radio filament of PSR J0538+2817 in S147: escape of relativistic PWN leptons into surrounding supernova remnant? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, v. 527, pp. 5683-5692 (год публикации - 2024)
10.1093/mnras/stad3452

33. Быков А.М., Петров А.Е., Пономарев Г.А., Левенефиш К.П., Фаланга М. PeV proton acceleration in gamma-ray binaries Advances in Space Research, v. 74, pp. 4276–4289 (год публикации - 2024)
10.1016/j.asr.2024.01.021

34. Хабибуллин И.И., Чуразов Е.М., Чугай Н.Н., Быков А.М. и др. Study of X-ray emission from the S147 nebula by SRG/eROSITA: Supernova-in-the-cavity scenario Astronomy and Astrophysics, v. 689, id. A278 (год публикации - 2024)
10.1051/0004-6361/202449419

Публикации

5. Бадмаев Д.В., Быков А.М. Wind of a young massive star colliding with a supernova remnant shell Journal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

Публикации

5. Бадмаев Д.В., Быков А.М. Wind of a young massive star colliding with a supernova remnant shell Journal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 году в рамках проекта было выполнено моделирование процессов ускорения частиц и генерации нетеплового излучения в МГД-течениях космической плазмы с ударными волнами. Особенностью этого моделирования было выполнение самосогласованных расчетов в широком диапазоне пространственных масштабов и интервалов времени. В ряде случаев также удалось количественно сопоставить результаты расчетов с новыми и архивными наблюдательными данными в различных спектральных диапазонах, от радио- до рентгеновского излучения. (i) С помощью детализированной численной модели исследовано влияние вращательных разрывов в солнечном ветре на ускорение частиц вблизи ударной волны на границе магнитосферы Земли. Наблюдения, выполненные на спутниках вблизи Земли, показывают, что вращательные разрывы приходят к земной орбите примерно раз в 10 минут. Моделирование показало, что этого достаточно для стабильного и более эффективного ускорения частиц по сравнению со случаем ламинарного солнечного ветра. Получены пространственные распределения ускоренных ионов вблизи головной ударной волны Земли в случае, когда межпланетное магнитное поле сонаправлено с потоком солнечного ветра. Инжекция ионов в механизм ускорения Ферми происходит в квази-продольной конфигурации в согласии с результатами крупномасштабного моделирования методом Монте-Карло. Ускоренные частицы затем распространяются в область с квази-поперечной конфигурацией головной ударной волны. Это объясняет потоки надтепловых ионов, наблюдаемые детекторами THEMIS, MMS и др. вблизи квази-поперечных областей головной ударной волны. (ii) Выполнен трехмерный магнитогидродинамический расчет структуры и эволюции потоков плазмы, температур и магнитных полей в ядре массивного скопления молодых звезд, возмущенном ударной волной от остатка коллапсирующей сверхновой звезды. Показано, что прохождение ударной волны остатка через ядро скопления приводит на промежутке времени порядка 1000 лет к повышению температуры плазмы до 100 миллионов градусов и усилению магнитных полей в оболочке остатка до значений, близких к 1 миллигаусс. Также показано, что значительный вклад в полную энергию магнитного поля в межзвездной среде скопления вносят компактные области с напряженностью свыше 100 микрогаусс, занимающие всего несколько процентов объема его ядра, и что в зависимости от расположения сверхновой, ее эжекта занимает от 50 до 80% объема ядра скопления примерно через 1000 лет после вспышки, а время релаксации структуры течений и состава межзвездного газа в скоплении составляет порядка 5000 лет. (iii) Проведено трехмерное моделирование структуры течений в гамма-ярких двойных звездных системах, состоящих из молодой массивной звезды и нейтронной звезды – пульсара, для случая высокой замагниченности ветра массивной звезды. Показано, что все выводы, сделанные ранее на основе упрощенного двумерного моделирования, справедливы. В частности, подтверждено наличие очень быстро движущихся возмущений плазмы в ветре пульсара. С применением комбинации авторского Монте-Карло моделирования и моделирования методом «релятивистская МГД + частицы-в-ячейках» на базе стандартного кода PLUTO показано, что описываемые двойные системы способны ускорять протоны до энергий выше 2 петаэлектронвольт, если величина магнитного поля звездного ветра в области столкновения ветров достигает 1-3 Гаусс. При этом оказывается, что распределение таких ускоренных протонов анизотропно. Моделирование методом Монте-Карло показало, что при еще более высоких энергиях (выше 10 петаэлектронвольт) половина частиц имеет скорость, направленную под углом не более 15 градусов относительно направления магнитного поля в звездном ветре. (iv) В результате комбинированного моделирования субрелятивистских ударных волн в космической плазме методами Монте-Карло и «частицы-в-ячейках» получены функции распределения ускоренных протонов и электронов в широком диапазоне энергий с физически обоснованными уровнями инжекции. Показано, что отношение эффективностей инжекции частиц соответствует отношению их масс. На основе этих моделей высокий уровень рентгеновского излучения, наблюдаемого от объектов класса Быстрые голубые оптические транзиенты (FBOT), количественно объяснен как синхротронное излучение от высокоэнергичных электронов, ускоренных на субрелятивистской ударной волне. (v) Выполнено моделирование процессов нагрева плазмы и генерации нетеплового излучения в протяженном остатке сверхновой S147 (Симеиз 147) с целью интерпретации новых результатов наблюдений этого объекта обсерваторией Спектр Рентген-Гамма и их связи с архивными данными гамма-обсерватории им. Ферми, данными радиообзоров ASKAP и CGPS, а также радио спектрами, полученными с помощью Эффельсбергского телескопа и телескопа Урумчи.

Публикации

5. Бадмаев Д.В., Быков А.М. Wind of a young massive star colliding with a supernova remnant shell Journal of Physics Conference Series (год публикации - 2021)

Возможность практического использования результатов
Детальное моделирование процессов в космической плазме необходимо для построения моделей космической погоды, обусловленной взаимодействием возмущений солнечного ветра с магнитосферой Земли. Возмущения магнитосферы влияют на системы связи и высокотехнологичные процессы в ближнем космосе. Моделирование высокоэнергичных явлений в астрофизических объектах необходимо для построения стратегии фундаментальных исследований и проектирования и построения детекторов космического излучения.