Зачем исследовать звездную пыль?
Рассказывают астрофизики НЦФМ
Наблюдения за космическими телами ведутся с глубокой древности и обрастают теориями, которые не сразу экспериментально можно подтвердить. О теоретических проблемах астрофизики и способах их решения рассказываем в партнерском материале N + 1 и Национального центра физики и математики.
С развитием физики и компьютерных технологий появилась возможность оценивать свойства объектов в космосе и моделировать их движение. И в некоторых областях астрофизики выдвинутые теории стали находить подтверждение. Так было с гравитационными волнами. Альберт Эйнштейн предсказал их существование в 1916 году. Однако экспериментально их обнаружили совсем недавно — в 2015 году, за что в 2017-м вручили Нобелевскую премию по физике. Открытия удалось добиться благодаря сложным детекторам, которые наблюдали за слиянием двух черных дыр.
У астрофизиков появляются условия для лабораторных исследований на новом техническом уровне. Так, например, будет в лабораториях Национального центра физики и математики (НЦФМ). Сейчас в космосе работает немецко-российский телескоп «Спектр-РГ», позволяющий проводить наблюдения в рентгеновском и гамма-диапазонах электромагнитного спектра. В России разрабатывается и готовится к запуску телескоп «Спектр-УФ» для исследования космоса в ультрафиолетовых волнах.
Одно из направлений работы НЦФМ называется «Экспериментальная лабораторная астрофизика и геофизика» (ЭЛАГ). Команда центра, куда входят представители трех институтов — ИКИ РАН, ИПФ РАН и ОИВТ РАН, работает над созданием экспериментальной установки по исследованию пыли и пылевой плазмы в Солнечной системе и Вселенной.
Плазма — это одно из состояний вещества, а именно газ из электрически заряженных частиц. Пылевая плазма — разновидность плазмы, в чей состав входят макрочастицы заряженного твердого или аэрозольного вещества. Установку запустят в 2023 году на территории НЦФМ. Центр расположен в открытой части города Саров.
Почему именно пыль стала объектом изучения ученых? На лунный реголит оказывается ряд воздействий: потоки солнечного ветра, солнечный ультрафиолет, микрометеоритные потоки, плазма хвоста земной магнитосферы и другие. В том числе из-за воздействия солнечного ультрафиолета пылевые частицы в составе реголита приобретают электрический потенциал — другими словами, электризуются. Отчасти по этой причине при некоторых условиях пыль может начать отрываться от поверхности и левитировать над поверхностью Луны. Американские астронавты отмечали, что пыль стала одной из серьезных проблем, с которой они столкнулись на Луне. Она налипала на скафандры, космические аппараты, оборудование.
Наше направление «пылевая плазма» относительно молодое: ему всего несколько десятков лет. Что интересно, значительное внимание этому явлению стали уделять при возникновении проблем в процессе производства микроэлектронных компонентов. При травлении (удалении поверхностного слоя) микрочипов пылевая плазма загрязняла кристаллы и мешала производству интегральных схем. Однако с развитием технологий эту проблему удалось решить.
За последние два десятилетия заметно выросла активность публикации научных работ в нашей сфере. Пылевой плазмой стали интересоваться, проводят десятки уникальных экспериментов. Например, известный российско-германский эксперимент «Плазменный кристалл» по исследованию пылевой плазмы в условиях микрогравитации, который проводили на МКС.
Представьте себе визор для шлема, через который смотрят космонавты. Осаждение на нем пыли может стать большой проблемой, а его очистка — быть важной задачей. Как вариант, можно нанести на визор прозрачный проводящий слой, который был бы способен отталкивать такие частицы. Если речь идет о какой-либо оптической аппаратуре, имеет смысл разместить вокруг объектива не отталкивающий, а, наоборот, притягивающий пыль электрод, что, вероятно, позволит немного расчищать прибор.
Учитывая, что природа пылевой плазмы носит электростатический характер, то есть эти макрочастицы обладают неким зарядом, для их нейтрализации можно идти разными путями. Поверхности, которые требуется защищать от этой пыли, можно создавать проводящими, чтобы на них можно было подавать потенциал и таким образом отталкивать частицы.
Подобные системы защиты можно будет испытывать в нашей экспериментальной установке в Сарове в условиях, приближенных к приповерхностным экзосферам безатмосферных тел, — проверять и смотреть, действительно ли они спасают.
Илья Кузнецов, ИКИ РАН
Ультрафиолет не единственный источник воздействия. Существуют микрометеоритные потоки, которые при соударении поднимают пыль с поверхности небесных тел. На некоторых телах на активность пыли может влиять сейсмическая активность.
В НЦФМ будет комплексная установка, которая позволит максимально точно имитировать эти космические процессы, чтобы затем активировать пылевые частицы — заставлять их взлетать и перемещаться.
В следующем году ученые проведут «быстрый старт» лаборатории для моделирования плазменно-пылевой динамики безатмосферных тел на базе НЦФМ. В помещении размером 80–200 квадратных метров разместят установку по изучению пылевой плазмы при низких давлениях: она позволит моделировать, к примеру, влияние частиц лунной пыли на работу элементов и систем космических аппаратов, на функционирование костюмов космонавтов, солнечных батарей, оптики. С этими знаниями ученые смогут разработать методы защиты от подобной пыли на Луне и в атмосфере Марса.
Прикладное значение этого проекта состоит в том, чтобы отрабатывать материалы и средства защиты для спасения от воздействия пыли и пылевой плазмы на безатмосферных небесных телах.
В первую очередь, конечно, интересует Луна. Она покрыта мелким реголитом, и при попадании метеоритов пыль начинает себя необычно вести, в частности левитировать. Пыль очень мелкая, мельче, чем обычная пыль на Земле. В ИКИ РАН этими вопросами занимается специальная лаборатория. Решить проблему с пылью очень важно для будущих высадок на Луну.
Лаборатория будет представлять собой глобальный комплекс-конструктор экспериментальных установок, заточенных под разные эффекты изучения пылевой плазмы. Части установок могут быть адаптированы под цель эксперимента. Одной из базовых частей лаборатории станет вакуумная камера размером 1 кубический метр. Предельный уровень вакуума камеры будет не ниже, чем 10-6 торр, что позволит имитировать в ней вакуум, близкий к показателям на поверхности Луны.
Размер вакуумной камеры в 1 кубометр достаточен для того, чтобы экспериментальные приборы или их макеты могли войти в камеру. Например, если мы говорим про прикладные исследования, мы хотим исследовать методы борьбы c пылью, или заниматься калибровкой приборов, которые эту пыль исследуют, или выяснить, какие помехи вносит эта пыль в исследования, с помощью этих приборов. Если мы проводим эксперимент с небольшим количеством реголита, то это излишне.
Также установка будет включать в себя источник ультрафиолетового излучения, направленный на пылевые частицы. Дело в том, что на Земле отсутствует значительная часть ультрафиолетового диапазона солнечного спектра, а, как считается, именно солнечный ультрафиолет во многом вносит свой вклад в активацию пылевых частиц и в плазменно-пылевую динамику безатмосферных тел. Эта часть солнечного спектра не доходит до Земли из-за атмосферы. В лаборатории мы будем воссоздавать его различными источниками, например эксимерными лампами — это разновидность газоразрядных ламп, которая является источником ультрафиолетового излучения. Например, аргоновые эксимерные лампы излучают ультрафиолет с длиной волны 126 нанометров в пике при интенсивности порядка десятков милливатт на квадратный сантиметр. Такие источники позволят нам осуществлять процессы зарядки пылевых частиц так же, как они происходят на Луне.
Кроме того, в лаборатории будет аппаратура, которая позволит наблюдать и детектировать свойства взлетающей пыли и условия в камере, которые происходят в момент эксперимента.
Например, для оптической визуализации предусмотрены как минимум две видеокамеры. Они будут синхронно записывать движение пылевых частиц, чтобы впоследствии восстановить траекторию, по которой они перемещаются. Для наглядности перемещение пыли будет подсвечивать лазерная подсветка.
Илья Кузнецов, ИКИ РАН
Кроме задач астрофизики плазменно-пылевой тематики в ЭЛАГ НЦФМ проводятся исследования высоковольтных электрических разрядов в атмосфере, изучение вещества в условиях сверхвысоких давлений, характерных для планетарных и звездных ядер, а также решаются задачи фотосинтеза: экспериментальные исследования влияния астро- и геофизических факторов на фотосинтетические процессы и их регуляцию сигнальными системами растений.
В проекте ЭЛАГ НЦФМ работает ряд ученых с мировым именем. Перечислю лишь некоторых из них (надеюсь, коллеги на меня не обидятся): руководитель ЭЛАГ НЦФМ и научный руководитель ИКИ РАН академик Лев Матвеевич Зеленый — один из специалистов мирового уровня в области физики космической плазмы; доктор физико-математических наук, профессор Геннадий Семенович Бисноватый-Коган (ИКИ РАН) — один из самых известных в мире астрофизиков, автор ряда классических работ в самых разных областях астрофизики; академик Евгений Анатольевич Малеев, который работает в Институте прикладной физики в Нижнем Новгороде, — специалист в области физики атмосферы, атмосферного электричества, генерации и распространения волн в ионосферной и магнитосферной плазме.
Практически все или абсолютное большинство участников нашего направления ЭЛАГ НЦФМ не только занимаются наукой, но и преподают в самых разных вузах — это и МФТИ, и МГУ, и физфак НИУ ВШЭ. В частности, в НИУ ВШЭ есть базовая кафедра физики космоса Института космических исследований РАН. Я на ней преподаю газовую динамику и основы численного моделирования в приложении к астрофизике. Кафедра не так давно создана, но студенты уже есть: и бакалавры, и магистранты, и даже аспиранты. Основной упор на кафедре сделан на подготовку специалистов по таким направлениям, как астрофизика высоких энергий, физика космической плазмы и физика Солнца.
Сергей Моисеенко, ИКИ РАН
Основные направления научных исследований в лаборатории НЦФМ:
- релятивистская астрофизика;
- физика и эволюция двойных звезд;
- изучение переменных звезд;
- строение и динамика Галактики и звездных систем;
- физика галактик;
- физика Солнца и гелиосейсмология;
- наблюдательная астрофизика.
Моделируя и воспроизводя процессы развития Вселенной, космологи и теоретические физики могут разгадать те загадки устройства Галактики, которые натолкнут ученых на такие же перспективные идеи, как создание «искусственного Солнца» на Земле.
Эти лаборатории будут запущены на базе НЦФМ уже к 2025 году. А к 2030-му отечественные ученые планируют создать еще более масштабную научную инфраструктуру на территории Национального центра: экзаваттный лазер и электрон-позитронный коллайдер класса «мегасайенс», а также крупный фотонный вычислительный центр.
Следите за новостями НЦФМ во «ВКонтакте» и «Телеграме».
***
Это не первый наш материал о Национальном центре физики и математики. Мы уже рассказывали, чем занимаются живущие в академгородке молодые ученые (не только исследованиями). А также о десяти направлениях научной программы НЦФМ (и вопросах мироздания, которые решают участники этих направлений). И собрали девять причин пойти учиться в филиал МГУ в Сарове (образовательное ядро НЦФМ).
Рауль Гайнетдинов — о самом малоизученном классе биогенных аминов и основах ароматерапии
Настоящие научные прорывы в наше время сделать довольно сложно. Обнаружить в условиях жесткой конкуренции нечто принципиально новое — задача практически невыполнимая. Особенно в тех областях, в которых самые принципиальные открытия уже собрали все научные премии, а менее исследованные объекты считаются малоперспективными.