Новые исследования из ФИАНа

18.06.2010



Впервые оценен внутренний масштаб турбулентности в межзвездной среде

Турбулентность является одним из наиболее важных свойств межзвездной плазмы. Плотность, скорость движения, магнитное поле и другие параметры "космического газа" меняются на всех доступных для измерений масштабах. Природа этих изменений пока не ясна. Но дать оценку распределению "космических возмущений" по масштабам благодаря недавним наблюдениям ученых из Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра ФИАН, уже можно.

Многие помнят со школы о существовании таких видов движения жидкости и газа, как ламинарное и турбулентное. Ламинарное, или как говорили раньше, струйное движение характеризуется послойным перемещением вещества без перемешивания и пульсаций. Но стоит скорости движения вещества увеличиться, как это "спокойствие" превращается в турбулентный "хаос", с завихрениями и беспорядочными колебаниями. Если наблюдать с Земли за движением межзвездной среды, то станет ясно - космической плазме также присуща турбулентность. Однако на вопрос, какова ее природа, однозначного ответа пока не существует.

"На сегодняшний день для описания турбулентности межзвездной плазмы используют ее энергетический спектр, или, другими словами, распределение энергии межзвездной плазмы по масштабам возмущений", - рассказывает ведущий научный сотрудник Пущинской радиоастрономической обсерватории АКЦ ФИАН, д.ф.-м.н. Владимир Шишов.

Достаточно широкий диапазон распределения возмущений межзвездной плазмы по масштабам приходится на так называемый инерционный интервал, на котором зависимость энергии от масштаба имеет степенной вид. Этот интервал делится на две части. Наибольшая энергия возмущений приходится на внешнюю часть интервала (так называемый внешний масштаб). Другая часть инерционного интервала называется внутренним масштабом. Считается, что поняв причины, по которым спектр турбулентности в этой области имеет степенную зависимость, мы разгадаем и природу самой "космической" турбулентности.

"В настоящее время принято считать, - продолжает Владимир Шишов, - что степенной вид спектра турбулентности формируют нелинейные взаимодействия между так называемыми магнитогидродинамическими волнами. Эти волны распространяются вдоль межзвездных линий магнитного поля и обеспечивают передачу энергии плазмы от внешней части инерционного масштаба к внутренней. Впервые такую модель предложил в 1963 г. сотрудник Астрономического института имени П.К.Штернберга МГУ Р.С. Ирошников. После этого предлагалось еще несколько моделей с разницей в типе нелинейных взаимодействий, но суть оставалась прежней.

Между тем, турбулентность межзвездной плазмы можно описать не только общими словами, но и количественно. В частности, спектр этой турбулентности можно измерить по наблюдениям радиоволн, пронизывающих плазму. Одними из лучших источников таких волн являются пульсары - они излучают радиоимпульсы, которые легко регистрируются на Земле с помощью радиотелескопов.

"Наблюдения за спектром турбулентности проводятся с 2002 года. В этом проекте участвовало сразу несколько научных учреждений Германии, США и России. Для работы привлекалось несколько радиотелескопов, у каждого из которых был свой частотный охват - от 100 МГц до 5 Ггц. Такие комплексные измерения на разных частотах позволили на несколько порядков увеличить наблюдаемый диапазон масштабов. Со стороны России в наблюдениях принимала участие наша Пущинская радиоастрономическая обсерватория и радиотелескоп БСА (Большая синфазная антенна, работающая на частоте 112 МГц - прим. Ф.И.)", - говорит сотрудник ФИАН.

За время эксперимента, основная часть которого осуществлялась в период с 2002 по 2008 год, ученым удалось экспериментально подтвердить, что спектр турбулентности межзвездной плазмы в широком диапазоне масштабов (от тысяч км до сотых долей парсека) действительно является степенным. Также удалось определить показатель этой степени и оценить величину внешнего масштаба турбулентности. Он оказался равным примерно 0.03 парсека или 1015 метров. Однако из-за недостаточной чувствительности метода тогда так и не удалось определить вид спектра турбулентности в диапазоне масштабов от тысяч до сотен километров, а именно здесь по предварительным оценкам должен лежать внутренний масштаб спектра. Ученые из Пущино решили подойти к этой проблеме несколько иначе.

"В своих измерениях формы спектра турбулентности мы использовали новый метод - анализ изменения формы импульса пульсара, рассеянного в турбулентной межзвездной плазме. Для этого мы наблюдали за пульсаром PSR В2111+46, он как раз имеет наибольшую величину потока в соответствующем нашему радиотелескопу метровом диапазоне волн", - рассказывает Шишов.

При обработке результатов наблюдений ученые пользовались следующими соображениями: если влияние внутреннего масштаба на эффект рассеяния существенно, то хвостовая часть импульса должна иметь вид экспоненты. Эксперимент свидетельствовал в пользу "экспоненты", а значит, подтверждал, что внутренний масштаб турбулентности действительно существует. Он оказался равным примерно (3.5 ± 1.5)*105 м. Таким образом, наблюдения астрофизиков из ФИАН позволили заполнить последнее белое пятно в количественном описании турбулентности межзвездной плазмы. Теперь дело за теоретиками, которым предстоит использовать эти данные для проверки различных волновых моделей, что, в конечном счете, должно привести нас к пониманию природы турбулентности космической плазмы.

По материалам АНИ " ФИАН-информ "

***

Тысяча специалистов - научно-исследовательским центрам страны!

В начале июня состоялся очередной выпуск студентов Московского физико-технического института (МФТИ) - одного из лучших образовательных центров по подготовке высококвалифицированных специалистов в области фундаментальной и прикладной физики и математики. Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН имеет три базовых кафедры МФТИ, общее число выпускников которых с момента начала их функционирования превысило тысячу человек.

Выпускники МФТИ работают в настоящее время по всему миру и ценятся как в научно-исследовательских институтах и университетах, так и в высокотехнологичном секторе производства, в коммерческих структурах и в государственных учреждениях. Высокое качество образования и инициативность выпускников Физтеха в последующей научно-исследовательской работе достигается благодаря специальной системе, включающей в себя фундаментальную подготовку студентов по физике и математике в течение первых трех курсов университета и их последующее обучение и научную работу на базовых кафедрах, расположенных непосредственно в ведущих научно-исследовательских институтах и научно-технических центрах нашей страны.

С Московским Физико-Техническим Институтом ФИАН сотрудничает с момента его основания. В настоящее время на базе ФИАНа от МФТИ работают 3 кафедры: кафедра Квантовой радиофизики (основана одновременно с образованием Физтеха), кафедра Проблем физики и астрофизики (1968г.), кафедра Электрофизики (1988г., реорганизация - 2004г.). Все три кафедры в ноябре 2008 года были официально объединены в научно-образовательный центр "Квантовой радиофизики и электрофизики МФТИ-ФИАН".

ФИАН активно сотрудничает не только с МФТИ. Научно-образовательные центры (НОЦ) были созданы совместно со многими ВУЗами Москвы и регионов, имеющими физические факультеты, практикуются и прямые связи с кафедрами по физическим и смежным специальностям. Координацией этой деятельности, а также решением проблем научной молодежи и обеспечением преемственности поколений научной школы ФИАН, занимается специальное структурное подразделение - Учебно-научный комплекс ФИАН (УНК), возглавляемый заместителем директора ФИАН профессором Владимиром Николаевичем Очкиным.

"Сейчас в составе УНК ФИАН более десяти Образовательных центров. В частности, ФИАН активно сотрудничает с МФТИ, МГУ, МИФИ, МИЭТ, МГТУ им. Баумана. Научно-образовательные центры созданы и на базе филиалов, например, в Пущинском и Самарском филиалах ФИАН. В институте имеется своя аспирантура, систематически проводятся научные конференции для молодых ученых. Сейчас только в собственной фиановской аспирантуре обучается 70 человек. Если прибавить к этому еще аспирантов МФТИ, МГУ, МИФИ и других институтов, проводящих свои научные исследования в ФИАНе, то получим около ста человек, т.е. практически численность среднего академического института. Но и это далеко не предел, мы нацелены на увеличение численности аспирантов", - рассказывает Владимир Николаевич.

Аспиранты и студенты активно участвуют в работе научных семинаров Отделений института. В 2010 году в ФИАНе начал работать единый общеинститутский семинар для аспирантов и молодых ученых; руководитель семинара - академик Г.А. Месяц, его заместители - чл.-корр. П.И. Арсеев и профессор В.С. Бескин. Руководители семинара стремятся сохранить лучшие ФИАНовские традиции, в частности, методологию знаменитого общемосковского семинара по теоретической физике академика В.Л. Гинзбурга. Что же касается учебного процесса, то студентам базовых кафедр МФТИ в ФИАНе уделяют значительное внимание уже с 1 курса. Для 1-го - 3-го курсов устраиваются специальные экскурсии в лабораториях Отделений института, где ребята имеют возможность ознакомиться с актуальными направлениями работ института. А начиная с 4-го курса - центр тяжести подготовки студентов перемещается непосредственно в ФИАН. Здесь в течение двух лет им читаются все специальные курсы лекций, и наряду с этим студенты вместе со своими научными руководителями проводят активную научно-исследовательскую работу в лабораториях института. Что касается курсов лекций, то их содержание постоянно обновляется с учетом современных тенденций развития того или иного научного направления. После защиты бакалаврских и магистерских диссертаций наиболее способных выпускников базовых кафедр МФТИ стараются не только закрепить при ФИАНе, но и создать для них наиболее благоприятные условия.

"При распределении студентов базовых кафедр по их будущим научным руководителям, - говорит заведующий кафедрой "Квантовой радиофизики" Владимир Лебедев, - мы стараемся направлять их в те научные группы, которые в настоящее время активно работают над решением наиболее актуальных физических проблем, имеют публикации в высокорейтинговых научных журналах, а их руководители - опыт руководства бакалаврами, магистрами и аспирантами. Наряду с этим руководитель и его научная группа должны иметь научные гранты для осуществления дополнительной финансовой поддержки молодежи. Если этого не будет, то для зарабатывания денег студенты будут вынуждены дополнительно заниматься далекой от науки деятельностью. Большое внимание мы также уделяем привлечению на кафедру в качестве преподавателей молодых талантливых исследователей - кандидатов и докторов наук, имеющих опыт работы в ведущих зарубежных научных центрах".

Еще одним существенным фактором нового времени является заметная конкуренция между базовыми организациями факультетов МФТИ за удержание в своей епархии наиболее талантливых студентов. Как говорит заместитель заведующего кафедрой "Электрофизики" МФТИ Сергей Савинов, "сейчас идет активная борьба за студентов. Если раньше студент поступал в определенную группу, то он в этой группе, как правило, и заканчивал обучение. Сейчас же с 3-4 курса начинается миграция по кафедрам. Поэтому для сохранения талантливой молодежи на своих кафедрах необходимо постоянно заботиться о высокой квалификации профессорско-преподавательского состава и создавать такие условия для работы студентов и аспирантов, при которых они чувствовали бы себя равноправными участниками своих исследовательских коллективов".

Для фиановских базовых кафедр МФТИ характерна атмосфера творчества и взаимного уважения. Так, например, начиная с четвертого курса учебная программа включает посещение "взрослых" научных семинаров, где студенты на равных участвуют в обсуждении научных проблем. А заместитель заведующего кафедрой "Проблемы физики и астрофизики" Василий Семенович Бескин лично ездит каждый год со студентами в научные экспедиции, в частности, в Специальную Астрофизическую Обсерваторию на Северном Кавказе и Радиоаcтрономическую Обсерваторию ФИАН в Пущино.

ФИАН является полифизическим институтом, и это дает возможность осуществлять подготовку специалистов с обширным научным кругозором, способных свободно ориентироваться во всем спектре проблем современной физики и успешно заниматься как экспериментальными, так и теоретическими исследованиями. Но также нужна особая благоприятная среда, в которой будущие выдающиеся физики, математики и инженеры, могли бы проявить себя и реализоваться. То внимание, которое уделяется в институте работе с научной молодежью, а также эффективно функционирующая система, обеспечивающая подготовку высококвалифицированных и инициативных исследователей, - и есть необходимые составляющие такой среды.

По материалам АНИ " ФИАН-информ "

©РАН 2019