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 16-12-10051

НазваниеАстрофизические струйные выбросы: от наблюдений к теории и лабораторному эксперименту

РуководительБескин Василий Семенович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", Московская обл

Года выполнения при поддержке РНФ2016 - 2018

КонкурсКонкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые словаструйные выбросы, активные галактические ядра, молодые звёзды, чёрные дыры, численное моделирование, лабораторное моделирование

Код ГРНТИ41.27.29


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Активность многих астрофизических объектов (ядра активных галактик, микроквазары, молодые звёзды) связана с образованием струйных выбросов частиц высоких и сверхвысоких энергий. Это один из самых эффективных механизмов выделения энергии и переноса углового момента, известных в настоящее время. При этом ускоренные частицы дают значительный вклад в электромагнитное излучение в широком диапазоне длин волн, от радиодиапазона до сверхжесткого гамма-излучения. Неудивительно поэтому, что исследование этого класса явлений находится сейчас на переднем крае современной физики и астрофизики. Проект направлен на существенное продвижение в понимании как самого механизма эффективного выделения энергии, так и природы образования и устойчивости струйных выбросов. При этом исследование предполагается провести не только средствами аналитического и численного моделирования, но и при использовании новых наблюдательных данных высокого разрешения (которое обеспечивается одновременными наблюдениями объектов космической обсерваторией Спектр-Р (RadioAstron) и наземными обсерваториями - EVN и ATNF) для существенного уточнения параметров струйных выбросов, и исследования плазменных выбросов, получаемых в лабораторных условиях, для уточнения физических моделей джетов. В данный момент существует ряд факторов, которые позволяют именно так ставить данную задачу. Во-первых, развитие аналитического и численного подхода к моделированию внутренней структуры струйных выбросов позволяет уверенно говорить о некоторой общепринятой модели струйных выбросов и оперировать определенной в рамках этой модели структурой джетов. Во-вторых, последние данные наблюдений (проекты MOJAVE и RadioAstron совместно с обсерваториями EVN и ATNF) достигли таких чувствительности и разрешения, когда 1) данные наблюдений достаточно полны, чтобы сравнивать их с рассчитанной структурой джетов, и 2) эти данные ставят новые вопросы, ранее не исследованные аналитически. К последнему относится, например, вопрос о статистически значимых наблюдаемых ускорениях и замедлениях ярких особенностей в струйных выбросах. В-третьих, мы планируем тесную кооперацию между группами теоретиков (ФИАН, МФТИ) и группой экспериментаторов (НИЦ Курчатовский институт), которая уже не один год моделируют устойчивые струйные конфигурации плазмы в лабораторных условиях. Это даёт беспрецедентную возможность напрямую изучать нерелятивистские струйные выбросы с тем, чтобы 1) проверить существующие аналитические модели струйных выбросов, и 2) изучить эффекты, не наблюдаемые в данный момент в астрофизических объектах из-за ограниченности в разрешающей способности обсерваторий. В процессе выполнения проекта предполагается решить следующие задачи. Задача 1. Использование наблюдательных данных, полученных в рамках международного проекта "Second-epoch Space VLBI visit into core-jet laboratories in the distant Universe", с целью определения внутренней структуры, состава и других физических параметров струйных выбросов в активных галактических ядрах. Задача 2. Аналитическое исследование динамики и устойчивости релятивистских и нерелятивистских струй в активных ядрах галактик и у молодых звезд. Численное моделирование МГД неустойчивостей релятивистских струй и ускорения частиц. Задача 3. Определение требований к лабораторному моделированию астрофизических струйных выбросов. Экспериментальное исследование струйных выбросов в НИЦ Курчатовский институт на установке ПФ-3. В частности, предполагается проверить полученные аналитически условия устойчивости струйных выбросов в лабораторных условиях. Проект будет выполняться в Московском физико-техническом институте совместно с Физическим институтом им. П.Н.Лебедева РАН и Научно-исследовательским центром "Курчатовский институт".

Ожидаемые результаты
В рамках проекта мы планируем получить следующие результаты: 1) определить внутреннюю структуру и физические параметры струйных выбросов у источников J1354-0206, J1405+0415, J1445+0958, J0017+8135, J1510+5702, J2217+0220, наблюдения которых запланировано в рамках проекта "Second-epoch Space VLBI visit into core-jet laboratories in the distant Universe"; 2) с помощью данных высокого разрешения, полученных в программе "Second-epoch Space VLBI visit into core-jet laboratories in the distant Universe", провести сравнительное исследование полученных данных наблюдений с существующей моделью релятивистских струйных выбросов с целью уточнения значений характерных физических параметров и тестирования самой модели; в частности, мы планируем протестировать возможные наблюдательные признаки наличия предсказанного в аналитических работах центрального кора вблизи оси течения; 3) аналитически и численно исследовать устойчивость релятивистских и нерелятивистских струйных выбросов с учетом физических параметров, восстановленных по самым современным наблюдениям: трехмерного поля скоростей движения плазмы, ее плотности и величины магнитного поля, массы центральной чёрной дыры и прочее; 4) провести аналитическое и численное моделирование нерелятивистского струйного выброса для параметров, используемых в лабораторном эксперименте; уточнить физические условия устойчивости струйных выбросов в лабораторных условиях; проверить в лабораторных условиях физические параметры, предсказываемые аналитическими моделями; Результаты проекта внесут значительный вклад в данной области знаний, а их получение позволит значительно продвинуться в понимании процессов, происходящих в объектах самой яркой энергетической светимости во Вселенной. Полученные результаты будут опубликованы в научных журналах, индексированных в международных системах цитирования (MNRAS, Astrophysics and Space Science, ApJ, New Astronomy, УФН, Астрономический Журнал, Письма в Астрономический Журнал).


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В рамках первого года выполнения проекта 16-12-10051 «Астрофизические струйные выбросы: от наблюдений к теории и лабораторному эксперименту» были успешно решены все задачи, заявленные в проекте. Одним из существенных продвижений, достигнутых в последнее время в связи с исследованием релятивистских струйных выбросов (джетов) из активных галактических ядер, явилось давно ожидаемое угловое разрешение их поперечной структуры на расстояниях 10-100 пк от центрального источника. Тем самым, стало возможным независимым образом определить физические условия в области 'центральной машины', а также количественно проверить работоспособность современных численных расчетов. Дело в том, что согласно существующим моделям, поперечный размер релятивистских джетов, истекающих из активных галактических ядер, существенно зависит от полного энерговыделения 'центральной машины'. Поскольку же одним из основных источников энергии 'центральной машины' является кинетическая энергия вращения сверхмассивной черной дыры, то, зная полное энерговыделение и поперечный размер джетов, можно получить независимую оценку на ее массу. В 2016 году в рамках электродинамической модели энерговыделения черной дыры нами получена расчетная формула для независимого определения массы центральной черной дыры по мощности струи, ее радиусу и структуре продольного магнитного поля. Мы смоделировали также различные профили продольного магнитного поля для различных значений давления внешней среды. Все эти величины могут быть оценены по наблюдениям, большинство которых находится в открытом доступе. В частности, тороидальное поле может быть определено как по эффекту видимого сдвига ядра (Lobanov 1998, Hirotani 2005, Nokhrina et al. 2015), так и по спектральному потоку (Zdziarski et al. 2015). Полная мощность джета однозначно связана с потоком в диапазоне порядка 1 ГГц (каталог CATS). Результаты же измерения поперечного размера струйных выбросов – последнего недостающего звена в нашем исследовании – мы ожидаем по данным наблюдений в рамках проекта "Second-epoch Space VLBI visit into core-jet laboratories in the distant Universe", выполняемого в рамках научной программы РадиоАстрон. Эти данные, однако, только недавно поступили на коррелятор и еще не обработаны. Кроме того, было аналитически исследовано взаимодействие сильно замагниченного течения (т.е. течения, у которого, как следует из современных моделей, поток энергии связан с потоком энергии электромагнитного поля) с внешним однородным фотонным полем. Этот процесс, который в деталях до сих пор подробно не исследовался, может оказаться ключевым как в лабораторном эксперименте, так и в применении к реальным астрофизическим объектам, особенно в связи с недавно обнаруженным торможением релятивистских джетов на масштабах порядка 100 пк. Путем анализа полной системы уравнений двухжидкостной магнитной гидродинамики нами было показано, что, несмотря на то, что сила взаимодействия действует на частицы, движущиеся вдоль струйного выброса, их энергии при этом меняются незначительно. Это связано с тем, приложенная сила в сильно замагниченном течении оказывается практически перпендикулярной тороидальному магнитному полю в джете. В результате, частицы, в зависимости от их знака, начинают дрейфовать по или против направления к оси джета, что ведет к возникновению электрического тока и перераспределению электрических зарядов. А это и приводит к уменьшению электромагнитного потока, переносящего основную часть энергии. Поэтому уменьшение энергии струйного выброса, а, значит, и его торможение, может происходить достаточно эффективно. Оценки показали, что для реальных условий этот процесс действительно может быть ответственным за торможение релятивистских струйных выбросов. Вопрос о поперечной структуре нерелятивистских струйных выбросов, наблюдаемых из молодых звездных объектов (YSO – Young Stellar Objects) также уже много лет находится в центре внимания современной астрофизики. При этом как с точки зрения наблюдений, так и с точки зрения теории существует еще много вопросов, требующих детального исследования. Например, как теория, так и наблюдения до сих пор не позволяли получить исчерпывающую информацию о внутренней структуре джетов. Более того, для холодного нерелятивистского течения до сих пор не удавалось построить удовлетворительное решение без особенности на оси вращения. Эта задача и была нами успешно решена. Было показано, что вблизи оси вращения решение может быть построено, если считать, что оно связано с достаточно медленно вращающейся звездой, так что вблизи оси вращения течение является слабо замагниченным. Сильно же замагниченное течение связано с быстро вращающимся диском. Именно такая ситуация, как полагают, и имеет место в действительности. В итоге, в рамках одножидкостной магнитной гидродинамики нами была построена цилиндрическая модель нерелятивистского джета, в котором не возникает особенностей на оси вращения. При этом построенная модель с хорошей точностью воспроизводит реальные струйные выбросы из молодых звезд. В частности, продольная скорость составляет несколько сот километров в секунду, а тороидальная скорость вращения – лишь несколько десятков километров в секунду. Важнейший же результат состоит в том, что как продольное магнитное поле, так и плотность плазмы в джете не являются однородными, а существенно уменьшаются с удалением от оси выброса. Поэтому был сделан вывод, что наблюдаемые джеты из молодых звезд являются лишь наиболее плотными центральными частями течения, простирающимися на самом деле до самой границы т.н. кокона, в котором и происходит замыкание продольного тока, текущего вдоль джета. Далее, в рамках проекта начались исследования по устойчивости нерелятивистских струйных выбросов с учетом их реалистической внутренней структуры, которая до сих пор в полной мере не принималась во внимание. При этом обсуждалась как устойчивость, поддерживаемая внешним давлением среды, так и устойчивость, поддерживаемая исключительно балансом внутренних сил. Дело в том, что в проведенном лабораторном эксперименте на установке ПФ-3 в НИЦ «Курчатовский институт» суммарное давление магнитного поля и давления ионизованного газа внутри выброса значительно превышает внешнее давление холодного газа и продольного магнитного поля. Следовательно, источником радиального равновесия не может служить внешняя среда. В этой связи был проведен подробный теоретический анализ причин, которые могут обеспечить устойчивость при отсутствии внешнего давления. Обычно в литературе использовался критерий Мерсье, полученный для произвольных конфигураций плазмы, удерживаемой магнитным полем для целей управляемого термоядерного синтеза. Однако данный критерий применим только при отсутствии вращательного движения плазмы. С другой стороны, астрофизические джеты должны вращаться, поскольку их основанием является вращающиеся звезды или черные дыры вместе с вращающимися вокруг них аккреционными дисками. В результате, было показано, что вращение вещества, вопреки кажущемуся на первый взгляд его дестабилизирующему влиянию, может приводить к стабилизации выброса. Такая стабилизация связана возникновением дополнительной спиральной структуры магнитного поля, натяжение которого уравновешивает давление плазмы у внешней границы выброса. Кроме того, проанализировано влияние на устойчивость наличие обратного тока, протекающего по границе струйного выброса. Причина такого влияния связана с изменением профиля внутреннего магнитного поля, который зависит от обратного тока, а само изменение профиля приводит к изменению распределения сил Ампера. Продемонстрирована также зависимость структуры формирующегося джета от структуры обратного тока. Наконец, в рамках выполнения проекта была проанализирована возможность моделирования нерелятивистских струйных выбросов на установке ПФ-3 в НИЦ «Курчатовский институт». Показано, что плазменный фокус в стадии формирования пинча создает поток плазмы вдоль оси установки, распространяющийся со скоростями, большими 100 км/с, т.е. со скоростями, близкими к наблюдаемым в реальных струйных выбросах из молодых звезд. При этом важно, что, как и в реальных джетах, течение является сверхзвуковым. Получены режимы, при которых плазменный поток сохраняет свою компактность при распространении на расстояния, значительно превышающие их поперечные размеры, что свидетельствует о превышении продольной скорости движения джета над поперечной скоростью его расширения. При этом плотность плазмы самого потока на расстоянии 35 см составляет 2∙10^17 частиц в кубическом сантиметре, а температура плазмы потока порядка 5 эВ. Плотность фоновой плазмы на этом расстоянии составляет 2∙10^16 частиц в кубическом сантиметре, что соответствует 20% ионизации начального газа. Взаимодействие с фоновой плазмой приводит к торможению потока, так что на расстоянии 35 см скорость падает до 50 км/с. Полученные щелевые развертки свидетельствуют о возможности вращения потока, что чрезвычайно важно в связи с моделированием реальных астрофизических джетов. При этом и другие свойства течений, полученных на экспериментальной установке, находятся в согласии с основными характеристиками струйных выбросов, наблюдаемых в окрестности молодых звезд. В частности, в лабораторном эксперименте вдоль струйного выброса генерируется сильный продольный электрический ток, определяющий преобладание тороидального магнитного поля в окрестности выброса. При этом, как и в большинстве моделях астрофизических джетов, продольный ток сосредоточен лишь в непосредственной близости от оси выброса. В целом, было показано, что установка ПФ-3 действительно позволяет исследовать вопросы распространения, поперечной структуры и устойчивости нерелятивистских струйных выбросов, причем многие ключевые параметры, воспроизводимые в эксперименте, такие, например, как нерелятивистский параметр замагниченности, хорошо согласуются с существующими МГД моделями реальных струйных выбросов из молодых звезд. Таким образом, план работ за 2016 год полностью выполнен. При этом перевыполнен план по публикациям (две статьи вместо заявленной одной). Так, в журнале «Известия ВУЗов, Радиофизика» была опубликована статья "Моделирование нерелятивистских струйных выбросов в лабораторных исследованиях", авторами которой стали практически все участники настоящего проекта (см. http://www.astrolyceum.lpi.ru/Papers/paper22.pdf). В ней сформулированы основные задачи, стоящие перед лабораторным экспериментом при моделировании астрофизических струйных выбросов. Кроме того, в одном из ведущих астрофизических журналов Monthly Notices of the Royal Astronomical Society была опубликована статья В.С. Бескина и А.В.Черноглазова "On the decceleration of relativistic jets in active galactic nuclei I: Radiation drag", в которой исследовалось взаимодействие сильно замагниченного течения с внешним фотонным полем (см. http://www.astrolyceum.lpi.ru/Papers/paper17.pdf). Как уже говорилось, этот вопрос имеет ключевое значение для объяснения взаимодействия астрофизических и лабораторных струйных выбросов с внешней средой.

 

Публикации

1. Бескин В.С., Истомин Я.Н., Киселев А.М., Крауз В.И., Митрофанов К.Н., Мялтон В.В., Нохрина Е.Е., Собьянин Д.Н., Харрасов А.М. Моделирование нерелятивистских струйных выбросов в лабораторных исследованиях Известия ВУЗов Радиофизика, том LIX (год публикации - 2016).

2. Бескин В.С., Черноглазов А.В. On the deceleration of relativistic jets in active galactic nuclei I: Radiation drag Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 463, Issue 3, Pp. 3398–3408 (год публикации - 2016).


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках второго года выполнения проекта 16-12-10051 «Астрофизические струйные выбросы: от наблюдений к теории и лабораторному эксперименту» работы велись по всем трем заявленным направлениям, а именно по теории релятивистских струйных выбросов из ядер активных галактик, по теории нерелятивистских струйных выбросов из молодых звезд, а также по лабораторному моделированию нерелятивистских джетов. По их результатам были опубликованы четыре научные работы в ведущих научных журналах, еще две работы были приняты в печать. Закончена работа над еще над одной статьей, она будет послана в печать в ближайшие два-три месяца. Большинство публикаций соответствует первому квартилю Q1. Напомним, что одними из самых загадочных явлений, происходящих во Вселенной, являются струйные выбросы из компактных астрофизических объектов (молодых звезд, галактических черных дыр солнечных масс, а также активных галактических ядер, в центрах которых находятся черные дыры, массы которых в сотни миллионов раз превышают массу Солнца). Несмотря на существенное различие в их свойствах, считается, что природа активности всех этих объектов связана с простой электродинамической идеей, согласно которой вращающееся замагниченное центральное тело является источником постоянного тока, который и определяет наблюдаемое энерговыделение. Тем не менее, многие детали этой в целом очень успешной модели еще требуют своего уточнения. Поэтому в рамках проекта с единых позиций был рассмотрен широкий круг вопросов, связанных как с релятивистскими, так и с нерелятивистскими джетами, а также с возможностью их моделирования в численном и лабораторном эксперименте. Одним из существенных продвижений, достигнутых в последнее время в связи с исследованием релятивистских джетов из активных галактических ядер, явилось разрешение их поперечной структуры на расстояниях 10-100 пк от центрального источника. Это позволило независимым образом определить физические условия в области 'центральной машины', а также проверить работоспособность современных численных расчетов. Дело в том, что согласно существующим моделям поперечный размер джетов существенно зависит от полного энерговыделения 'центральной машины'. Действительно, поперечный размер струйного выброса определяется балансом внешнего давления и плотностью энергии самого джета. Поскольку же здесь одним из основных источников энергии 'центральной машины' является кинетическая энергия вращения сверхмассивной черной дыры, то, зная полное энерговыделение и поперечный размер джетов, можно получить независимую оценку на ее массу. Это позволило сформулировать новую независимую методику определения масс сверхмассивных черных дыр. В следующем году в рамках проекта предполагается, воспользовавшись новыми наблюдательными данными, полученными в рамках научной программы РадиоАстрон, исследовать достаточно большую выборку объектов, что позволит сравнить наш метод с другими методиками. Далее, для релятивистских струйных выбросов были проанализированы последние данные наблюдений струйного выброса в галактике M87 на частоте 15 ГГц. Была обнаружена устойчивая трехгорбая структура поперечного профиля с не наблюдавшимся ранее сверх-узким центральным радиопиком. Эти данные являются явным указанием на то, что внутренняя структура струйного выброса представляет собой джет в джете. Для количественного описания такой структуры в рамках релятивистской идеальной магнитной гидродинамики была разработана модель, в которой струйный выброс состоит из двух соосных вложенных джетов, так что внешний джет является полым плазменным цилиндром, содержащим в себе узкий внутренний джет. В результате, совместное использование наблюдательных данных и проведенных теоретических исследований дало возможность не только описать внутреннюю структуру джета, но и определить его основные харакретистики, такие как угловые скорости вращения, напряженности электрического и магнитного поля, потоки массы во внутреннем и внешнем джетах, а также его температуру. Кроме того, в рамках теоретических исследований впервые удалось построить количественную модель внутренней структуры переходного слоя между внешней средой и релятивистским струйным выбросом. Это стало возможным в предположении, что течение остается сверхзвуковым (сверхальфвеновским) во всей переходной области. В результате, была найдена зависимость поперечной структуры струйного выброса от внешнего давления, что и использовалось в упомянутом выше анализе. В той же мере, как и для релятивистских джетов, проблема переходного слоя существовала и для нерелятивистских струйных выбросов из молодых звезд. При этом отсутствие самосогласованной модели тормозило и исследование их неустойчивости. Поэтому в рамках выполнения проекта была решена также и задача о переходном слое между нерелятивистским струйным выбросом и внешней средой. При этом рассматривался как случай покоящейся внешней среды, так и более реалистичный случай внешнего ветра с ненулевой скоростью. Полученные результаты впервые позволили исследовать неустойчивость нерелятивистских джетов на фоне его реалистичного поперечного профиля (ранее в большинстве работ, посвященных устойчивости джетов, поперечные профили не соответствовали реальным течениям). Было показано, что при развитии неустойчивости на периферии струйного выброса возникает спиральная волна, причем ее динамическое давление как раз дает возможность обеспечить баланс радиальной силы. Поскольку в спиральной волне магнитное поле колеблется вдоль струйного выброса, наблюдаемое излучение струи, пропорциональное квадрату напряженности магнитного поля, также будет колебаться вдоль оси джета. Полученная наблюдательная картина выглядит при этом как набор отдельных ярких пятен, так что создается впечатление, что струя представляет собой последовательность отдельных выбросов. Эта как раз то, что и наблюдается в действительности. Еще одним направлением работ стало проведение численных расчетов в рамках одного из самых современных подходов, используемых в современных численных исследованиях – т.н. метод частиц в ячейке (particle-in-cell, сокращенно PIC). PIC-метод представляет собой эффективный способ описывать процессы, протекающие в бесстолкновительной плазме. В отличие от других методов, данный подход гораздо проще реализовать и, несмотря на это, с его помощью становится возможным численно изучать процессы, в которых кинетические эффекты играют важную роль. Основные исследования в этой области будут проведены в следующем году. Наконец, в 2017 году были продолжены эксперименты по струйным выбросам на установке ПФ-3 в НИЦ «Курчатовский Институт». С помощью отработанных на предыдущем этапе диагностических методов исследовалась динамика плазменного потока при его распространении в фоновой плазме на значительные расстояния. В целях расширения диапазона экспериментальных условий ряд экспериментов был выполнен на установках PF-1000 (Институт физики плазмы и лазерного микросинтеза, Варшава, Польша) и КПФ-4 «Феникс» (ГНПО «Сухумский физико-технический институт», Сухум, Абхазия). Главный вопрос здесь заключался в том, можно ли воспроизвести струйные выбросы в лабораторных условиях. Напомним, что основными действующими лицами в электромагнитной модели джетов являются продольное регулярное магнитное поле, продольный электрический ток, замыкающийся на периферии джета, а также вращение ‘центральной машины’. Поэтому эксперименты проводились в рамках всех этих трех направлений, а именно исследовалось влияние на свойства выброса внешнего магнитного поля, определялись структура течения в области обратного тока и скорость вращения плазменного потока. Кроме этого, исследовалась и роль давления внешней среды. Прежде всего, на установке ПФ-3 было впервые исследовано распределение магнитного поля на периферии плазменного потока, т.е. в области протекания обратных токов. Из совокупности зондовых измерений следует, что периферия джета в экспериментах с Ne лежит в диапазоне радиусов 6-8 см, в экспериментах с H2 - в диапазоне радиусов не менее 8 см, что указывает на зависимость свойств плазменного выброса от радиационных потерь. Далее, на установке КПФ-4 (СФТИ) разработана и внедрена система импульсного напуска. Это позволит нам в дальнейшем моделировать изменение внешнего давления вдоль струйного выброса, как это и имеет место в астрофизических джетах. Среди важнейших результатов здесь также следует отметить прямое измерение поперечных и продольных размеров плазменных сгустков, которое хорошо коррелируют с данными магнитозондовых измерений. Последнее обстоятельство позволяет сделать важнейший вывод о вмороженности магнитного поля. Кроме того, для исследования профиля плазменного выброса была проведена регистрация потока с помощью кадровых регистраторов и скоростных камер с щелевой разверткой. Анализ динамики изменения структуры фронта на различных расстояниях убедительно свидетельствует о наличии вращательного (азимутального) движения потока. При этом скорость вращения находится в интервале 10^6 – 10^7 см/с. Измерения многокомпонентными магнитными зондами показали, что радиальная компонента магнитного поля меняет направление, в то время как остальные компоненты своего направления не меняют. Эти результаты получены как на установке ПФ-3, так и на установке КПФ-4 независимо от высоты над анодом, рабочего газа и способа заполнения камеры. Совокупность полученных результатов свидетельствует о спиралевидном характере протекания тока, что также может быть связано с макроскопическим вращением плазменного потока. Что же касается анализа влияния внешнего магнитного поля, то в эксперименте ПФ-3 оно создавалось соленоидом, расположенным под анодом установки. При захвате токовой оболочкой всего магнитного потока и диаметре плазменного потока порядка 1 см магнитное поле на оси установки могло достигать величин 1 МГс. В результате было продемонстрировано увеличение интенсивности излучения плазменного потока в несколько раз по сравнению со случаем, когда внешнее магнитное поле не включалось. Наконец, полученные данные позволили оценить основные безразмерные параметры: число Маха M > 5, числа Рейнольдса Re > 10^4 и Пекле Pe > 10^7, а также магнитное число Рейнольдса Re_M > 10, что обосновывает применимость лабораторных работ для моделирования астрофизических джетов. Таким образом, план работ за 2017 год можно считать успешно выполненным. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (четыре статьи, два тезиса на международной конференции HEPRO-6), посвященные проекту, даны ниже: https://arxiv.org/pdf/1705.02581.pdf https://arxiv.org/pdf/1708.08270.pdf http://adsabs.harvard.edu/abs/2017R%26QE...59..900B http://adsabs.harvard.edu/abs/2017MNRAS.472.3971B http://www.astrolyceum.lpi.ru/Papers/talk50.pdf http://www.astrolyceum.lpi.ru/Papers/talk52.pdf

 

Публикации

1. Бескин В.С., Истомин Я.Н., Киселев А.М., Крауз В.И., Митрофанов К.Н., Мялтон В.В., Нохрина Е.Е., Собьянин Д.Н., Харрасов А.М. Simmulation of nonrelativistic jet ejections during the laboratory studies Radiophysics and Quantum Electronics, Том: 59, Выпуск: 11, Стр.: 900-910 (год публикации - 2017).

2. Бескин В.С., Черноглазов А.В., Киселев А.М. On the internal structure of relativistic jets collimated by ambient gas pressure HEPRO-6, High-energy phenomena in relativistic outflows, - (год публикации - 2017).

3. Бескин В.С., Черноглазов А.В., Киселев А.М., Нохрина Е.Е. On the internal structure of relativistic jets collimated by ambient gas Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, V. 472, PP. 3971–3978 (год публикации - 2017).

4. Крауз В.И., Бескин В.С. Laboratory simulation of astrophysical jets within facilities of plasma focus type HEPRO-6, High-energy phenomena in relativistic outflows, - (год публикации - 2017).

5. Нохрина Е.Е., Бескин В.С. On the acceleration and deceleration of relativistic jets in active galactic nuclei – II. Mass loading Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, V. 469, PP. 3840–3850 (год публикации - 2017).

6. Собьянин Д.Н. Jet in jet in M87 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Том: 471, Выпуск: 4, Стр.: 4121-4127 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках третьего года выполнения проекта 16-12-10051 «Астрофизические струйные выбросы: от наблюдений к теории и лабораторному эксперименту» работы велись по всем трем заявленным направлениям, а именно по теории релятивистских струйных выбросов из ядер активных галактик, по теории нерелятивистских струйных выбросов из молодых звезд, а также по лабораторному моделированию нерелятивистских джетов. По их результатам были опубликованы шесть научных работ в ведущих научных журналах, еще две статьи находятся в печати. Практически закончены работы над еще четырьмя большими статьями, они будут посланы в печать в ближайшее время. В рамках работ по релятивистским струйным выбросам были продолжены исследования их внутренней структуры на основе подробного анализа данных наблюдений в рамках проекта "Second-epoch Space VLBI visit into core-jet laboratories in the distant Universe" обсерватории РадиоАстрон, а также из сравнения этих данных с данными проекта MOJAVE. При этом был сформулирован новый метод определения масс черных дыр в центре активных галактик, в котором новым ключевым элементом был учет наличия излома в зависимости ширины струйного выброса от расстояния до центральной машины. Нами было предложено объяснение, что такой излом связан с переходом от сильно замагниченного течения к течению, в котором поток энергии частиц уже близок к потоку энергии электромагнитного поля. В результате для девяти источников по данным наблюдений излома и результатам моделирования были определены массы центральной черной дыры. Отдельно было проведено моделирование положения излома для радиогалактики M87, для которой благодаря большому массиву данных помимо массы черной дыры удалось определить и спин-параметр вращения a. Еще один важный результат был получен из анализа данных наблюдений джета в галактике M87, у которого недавно было обнаружено поперечное квазипериодическое смещение джета с периодом 8–10 лет. В рамках выполнения проекта была построена модель, в которой наблюдаемое покачивание джета связывалось с прецессией Лензе-Тирринга наклоненного аккреционного диска. При этом был предложен независимый способ оценки скорости вращения черной дыры. Как показал анализ, приведенный угловой момент черной дыры J/Mc для этого источника равен (2,7±1,5)×10^14 см, что соответствует безразмерному параметру a = 0,5±0,3. Наконец, была подробно изучена ранее неисследованная возможность радиальной стабилизации струйного выброса в случае существования спиральной волны в периферийной области джета. Показано, что такая спиральная волна благодаря своему динамическому давлению способна удерживать центральную область квази-цилиндрического джета, в котором течет прямой электрический ток. При этом важно, что такая конфигурация оказывается устойчивой как для релятивистских, так и для нерелятивистских течений. Более того, в рамках этой модели легко объясняется наблюдаемая продольная структура джетов, состоящая из последовательных уярчений. Показано также, что в этом случае поперечный размер струйного выброса должен медленно увеличиваться с расстоянием z от своего основания по степенному закону z^k, где показатель k может меняться от величины 0,5 до 1. Нерелятивистские струйные выбросы из молодых звезд также уже много лет находятся в центре внимания современной астрофизики. Однако и для них до сих пор не удавалось определить их поперечную структуру. В рамках выполнения проекта нами впервые была построена модель внутреннего строения нерелятивистского струйного выброса, не только не имеющая особенности на оси джета, но и последовательно учитывающая наличие замыкания тока, т.е. переходного слоя между струйным выбросом и окружающей средой. Для этого в области замыкания тока вблизи внешней границы струйного выброса впервые в рамках метода уравнения Грэда-Шафранова удалось последовательно включить тепловые эффекты. Такая модель с хорошей точностью воспроизводит реальные струйные выбросы из молодых звезд. В частности, продольная скорость составляет несколько сот километров в секунду, тогда как тороидальная скорость вращения –несколько десятков километров в секунду. При этом важнейший результат состоит в том, что как продольное магнитное поле, так и плотность плазмы в джете не являются однородными, а должны уменьшаться с удалением от оси струйного выброса. А это позволило сделать вывод, что наблюдаемые джеты из молодых звезд представляют собой лишь наиболее плотные центральные части течения, простирающегося на самом деле до самой границы т.н. кокона, в котором и происходит замыкание продольного тока, текущего вдоль оси джета. Ценность полученного решения состоит также в том, что оно может быть использовано для исследования неустойчивостей в нерелятивистских выбросах. Еще одним направлением работ стало проведение численных расчетов в рамках одного из самых современных подходов, используемых в современных численных исследованиях–т.н. метод частиц в ячейке (particle-in-cell, сокращенно PIC). PIC-метод представляет собой эффективный способ описывать процессы, протекающие в бесстолкновительной плазме. В отличие от других методов, данный подход гораздо проще реализовать и, несмотря на это, с его помощью становится возможным численно изучать процессы, в которых кинетические эффекты играют важную роль. В частности, в рамках этого подхода удалось описать взаимодействие струйного выброса с внешним фотонным полем. Наконец, третье направление исследований было связано с выяснением вопроса о том, насколько лабораторный эксперимент может воспроизвести условия, характерные для струйных выбросов из молодых звездных объектов. Как известно, одним из основных предполагаемых свойств астрофизических джетов является наличие у них вращения вокруг собственной оси. Поэтому в рамках лабораторного моделирования на установке ПФ-3 был проведены эксперименты по исследованию динамики изменения формы потока при его распространении вдоль пролетной камеры. При этом использовались два подхода. Первый был связан с регистрацией оптического свечения плазмы с помощью электронно-оптического регистратора К-008, работающего в режиме щелевой развертки. Изменение пространственного положения структурных частей потока позволяет судить о наличии/отсутствии вращения. Было проведено и проанализировано более 100 рабочих импульса при разряде в неоне. По оценкам, сделанным на основании изменения профиля потока, скорость вращения может составить 10^6–10^7 см/с, что согласуется с теоретическими оценками. Более точно измерить скорость вращения по двумерному изображению трудно. Поэтому была разработана альтернативная оптическая схема на основе кадровых ЭОП-регистраторов, позволяющая проводить наблюдения за распространением плазменного потока в направлении навстречу потоку (с торца пролётной камеры). Далее, для определения роли магнитного удержания в связи с проблемой устойчивости плазменного потока было важно провести измерения на первичной стадии генерации и распространения плазменного выброса. Для этого эксперимента были изготовлены магнитные зонды для измерения азимутальной компоненты магнитного поля вблизи области генерации выброса и проведена их калибровка. Впервые проведены измерения тороидального магнитного поля B_φ как в области пинчевания, так и в струйном выбросе на пролетной базе от z = 10 см до z = 20 см над анодом. В плазменном потоке на расстоянии 10 см от анода и на радиусе 2 см от оси зарегистрировано поле порядка 30 кГс. В предположении, что осевой (центральный) ток в джете совпадает с осью камеры установки, пересчет тороидального поля в точке измерения (R_p = 2 см) на ток в предположении функциональной зависимости B_φ ~ 1/r дает оценку полного тока 300 кА. Наблюдается значительная диссипация тока при распространении потока вдоль оси. Величина тороидального магнитного поля на расстоянии 20 см от анода уменьшается на порядок величины. Это, в условиях выше приведенных предположений, приводит к оценке тока I = 25–40 кА в различных разрядах, что, тем не менее, в 3–5 раз больше тока, измеренного зондом в пролетной камере на высоте z = 35 см от поверхности анода. Непосредственно к задаче определения роли магнитного удержания в устойчивости плазменного потока примыкают эксперименты с внешним продольным магнитным полем. Проведены эксперименты по компрессии магнитного потока, создаваемого внешним соленоидом, токово-плазменной оболочкой (ТПО) при ее сжатии к оси системы. С помощью специально изготовленных магнитных зондов показано усиление индукции магнитного поля на оси на два порядка: от 0,1 Тл, создаваемого соленоидом, до 10 Тл в момент максимального сжатия. В случае отсутствия внешнего начального поля соленоида вблизи особенности на производной тока (максимальное сжатие ТПО) уровень собственного продольного магнитного поля менее 0,1 Тл. В итоге, было показано, что наложение начального продольного магнитного поля приводит к значительному увеличению захваченного тороидального поля в струйном выбросе и, соответственно, продольного тока, текущего в выбросе, до величины I = 180–350 кА на расстоянии 20 см в различных разрядах. Следовательно, как и в случае астрофизических джетов, так и в лабораторных условиях присутствие внешнего продольного поля неизбежно приводит к спиральной конфигурации магнитного поля плазменного джета, что, в итоге, способствует формированию устойчивого плазменного выброса. Проведённые измерения энергии и импульса позволили определить основные энергетические характеристики плазменного потока, генерируемого в плазмофокусном разряде на установке ПФ-3. Показано, что при разряде в аргоне на расстоянии 65 см от места генерации можно получить потоки с плотностью энергии 10 Дж/см^2. Плотность потока энергии в водороде в несколько раз меньше, поскольку, как показали предыдущие измерения, скорость частиц для аргона и водорода отличается незначительно при большом различии в массе потока. Энергия потока растёт с энергией разряда. Наконец, в ходе выполнения проекта были продолжены исследования влияния рабочего газа на поперечные размеры плазменного потока. Эти эксперименты были проведены на установках ПФ-3, КПФ-4-Феникс (СФТИ, Абхазия, г. Сухум) и PF-1000 (ИФПиЛМ, Польша, г. Варшава), что позволило существенно расширить диапазон экспериментальных условий. Анализ полной базы зондовых измерений на этих установках позволил впервые определить границу джета, т.е. область протекания обратных токов замыкания. Показано, что эта граница зависит как от давления фонового газа, так и от радиационных свойств самого плазменного потока. Минимальный размер 3-6 см получен на установке КПФ-4 при стационарном напуске 2 Торр Ar. В то же время при работе с дейтерием (установка PF-1000) или при импульсном напуске аргона (установка КПФ-4) этот радиус может превышать 20 см. Подводя итоги, можно уверенно сказать о возможности успешного лабораторного моделирования нерелятивистских струйных выбросов в лабораторном эксперименте. Основные безразмерные параметры, а также свойства лабораторных плазменных выбросов (сверхзвуковое движение, наличие продольного электрического тока, текущего вдоль оси течения, наличие внешней среды, с которым происходит взаимодействие плазменного выброса) находятся в соответствии с параметрами, наблюдаемыми в астрофизических струйных выбросах из молодых звезд. Таким образом, план работ можно считать успешно выполненным. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту, даны ниже: http://adsabs.harvard.edu/abs/2018PhPl...25h2715S http://adsabs.harvard.edu/abs/2018MNRAS.479L..65S http://adsabs.harvard.edu/abs/2018IJMPD..2744009K http://adsabs.harvard.edu/abs/2018MNRAS.476L..25I

 

Публикации

1. - Remote jets are clearer now Eurekalert, Public Release: 14-Feb-2018 (год публикации - ).

2. Истомин Я.Н. Spiral jet Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volume 476, Issue 1, p.L25-L28 (год публикации - 2018).

3. Крауз В.И., Бескин В.С., Велихов Е.П. Laboratory simulation of astrophysical jets within facilities of plasma focus type International Journal of Modern Physics D, Volume 27, Issue 10, id. 1844009 (год публикации - 2018).

4. Крауз В.И., Митрофанов К.Н., Мялтон В.В., Виноградова Ю.В., Харрасов А.М. Исследование импульса и энергии плазменного потока, генерируемого в плазмофокусном разряде Вопросы атомной науки и техники, серия Термоядерный синтез, Том 41, Выпуск 3, стр.48-56 (год публикации - 2018).

5. Нохрина Е.Е. The correlation between the total magnetic flux and the total jet power Frontiers in Astronomy and Space Sciences, Volume 4, article 63, 7 pages (год публикации - 2018).

6. Складник-Садовская Е., Данько С.А., Харрасов А.М., Крауз В.И., Квятковский Р., Падух М., Садовский М.Я., Залога Д.Р., Зелинска Е. Influence of gas conditions on parameters of plasma jets generated in the PF-1000U plasma-focus facility Physics of Plasmas, 25, 082715 (год публикации - 2018).

7. Собьянин Д.Н. Black hole spin from wobbling and rotation of the M87 jet and a sign of a magnetically arrested disc Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters, Volume 479, Issue 1, p.L65-L69 (год публикации - 2018).