Название:Математическое моделирование нелинейных кинетических процессов в космической плазме
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина: 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
Время действия проекта:2021-2024
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Быков,АМ
Подразделения:
Код проекта:21-72-20020
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.

Ожидаемые результаты

Данный проект будет основан на сотрудничестве научного коллектива из ФТИ им. А.Ф. Иоффе, обладающего компетенциями в области создания современных нелинейных математических моделей космической плазмы, и ОИ (МСЦ РАН), предоставляющего вычислительные мощности и развитую среду для многомасштабного моделирования, а также обладающего необходимыми компетенциями по оптимизации расчетов с высокой степенью параллелизма. Осуществление этого проекта приведет к следующим результатам, соответствующим мировому уровню физики космической плазмы, в частности, современному уровню развития теории ускорения частиц и генерации нетеплового излучения в энергичных истечениях в межзвездной и межпланетной среде. Будут построены новые количественные модели ускорения ионов различных типов и вычислены спектры магнитных флуктуаций вблизи головной ударной волны в магнитосфере Земли. Результаты этих исследований нужны для создания глобальных моделей, способных предсказывать «космическую погоду» и состояние магнитосферы. Для исследования процессов формирования распределений релятивистских частиц и спектров нетеплового излучения в зонах взаимодействия ветров массивных молодых звезд и оболочек сверхновых звезд, будут созданы оригинальные численные модели и предсказаны нетепловые спектры ряда высокоэнергичных астрофизических систем со сходящимися сверхзвуковыми потоками. В настоящее время такие системы наблюдаются на крупнейших орбитальных обсерваториях, и их загадочная многоволновая структура требует количественного объяснения. Будет выполнено моделирование нелинейных процессов трансформации энергии релятивистских истечений пульсаров и аккрецирующих черных дыр в широкий спектр излучения от радио- до гамма-диапазона. Такие модели необходимы для интерпретации данных наблюдений и изучения фундаментальных физических процессов в условиях экстремальных потоков энергии и магнитных полей, недостижимых в наземных лабораториях. Будут исследованы механизмы взаимодействия ударных волн в оболочках сверхновых звезд с плотными молекулярными облаками, включающие процессы формирования органических соединений: гидроксила, аммиака, формальдегида, метанола, ацетальдегида и ряда других молекул, играющих важную роль в формировании благоприятных для органической жизни планетных систем. Результаты предлагаемых исследований будут использованы для формирования наблюдательных программ российских и международных космических телескопов. Эти результаты будут представлены на тематических международных симпозиумах, опубликованы в форме оригинальных статей и обзоров в ведущих тематических журналах и книгах, посвященных исследованию энергичных физических процессов в космической плазме. Разрабатываемые в проекте оригинальные компьютерные коды, пакеты программ и результаты моделирования будут использованы при чтении лекций аспирантам ФТИ им. А.Ф. Иоффе, магистрантам и аспирантам Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в специальных курсах «Современные методы моделирования астрофизической плазмы», «Релятивистская астрофизика», «Гамма-астрономия» и «Космическая электродинамика» и во время практических занятий по этим курсам. Эти результаты также будут использованы при подготовке диссертационных работ аспирантов Ю.А. Кропотиной, М.Е. Каляшовой, Д.В. Бадмаева и Г.А. Пономарева. Результаты проекта также будут использованы при чтении научно-популярных лекций и подготовке научно-популярных изданий по астрофизике для широкой общественности, что будет способствовать росту интереса молодежи к космическим исследованиям и развитию отечественной системы образования в области физики и астрономии.