В НЦФМ изучают лунную пыль и готовят к запуску наноспутники

С развитием лазерно-плазменных и компьютерных технологий астрофизики получили возможность моделировать происходящие во Вселенной процессы — ​заглянуть внутрь взрывающейся звезды, создать аналог космической пыли, исследовать звездный ветер и многое другое. Одна из таких лабораторий будет в Национальном центре физики и математики. Рассказывает научный руководитель Института космических исследований РАН, председатель секции НТС «Экспериментальная лабораторная астрофизика и геофизика» НЦФМ академик РАН Лев Зеленый.

Изучение процессов во Вселенной порождает идеи прорывных технологий, таких как термоядерный синтез. Астрофизика дает нам знания, которые мы применяем в практической деятельности на Земле. Когда мы обсуждали создание в НЦФМ секции астрофизики, то поняли, что круг задач, которые предстоит решать, гораздо шире изучения процессов в космических объектах. Поэтому к астрофизике была добавлена геофизика: важно в комплексе изучать физические процессы, происходящие во Вселенной и на Земле.

Космос в лаборатории

В ходе лабораторного астро- или геофизического эксперимента можно не только наблюдать зарождение и эволюцию моделируемого явления, но и делать это многократно, меняя условия и параметры. Мы можем повторять и воспроизводить лабораторные эксперименты, детально и надежно описывать ключевые физические механизмы, ответственные за возникновение и эволюцию космических процессов. Совместный анализ данных наземных наблюдений и спутниковых экспериментов, результатов лабораторного и численного моделирования позволит достичь максимально полного понимания физики ключевых явлений в ближнем и дальнем космосе.

Секция НЦФМ «Экспериментальная лабораторная астрофизика и геофизика» использует несколько уникальных лабораторных установок. На них, в частности, моделируются плазменные процессы, характерные для разных стадий звездной эволюции, включая процессы аккреции вещества, развития плазменных неустойчивостей, образования и распространения ударных волн и джетов, магнитного перезамыкания.

На крупномасштабных установках КИ‑1 и «Крот» изучается динамика плотных высокоскоростных плазменных потоков с магнитным полем, нейтральной и ионизированной фоновой средой, включая развитие неоднородных плазменных структур, струйных течений и неустойчивостей. Экспериментально исследуется жесткое электромагнитное излучение, создаваемое длинными искрами, моделируются явления молниевого разряда. Готовятся к запуску космические аппараты формата кубсат с аппаратурой для орбитальных наблюдений жесткого электромагнитного излучения молниевых разрядов. Изучаются физические процессы в пылевой космической плазме применительно к задачам космогонии и исследования экзосферы Луны и атмосферы Марса, в том числе для поддержки исследований космической пыли в ходе российских экспедиций «Луна‑25» и «Луна‑27». Ведутся работы по лабораторному моделированию, разрабатывается теория влияния астро- и геофизических факторов на фотосинтез.

ЗВЕЗДНАЯ КОМАНДА

В работе секции «Экспериментальная лабораторная астрофизика и геофизика» принимают участие лучшие российские исследовательские группы и лаборатории. Членами кооперации стали ученые Объединенного института высоких температур РАН, Института прикладной физики РАН, Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», Института лазерной физики СО РАН, Института космических исследований РАН, НИЦ «Курчатовский институт», Физического института им. Лебедева РАН, Нижегородского государственного университета им. Лобачевского, Всероссийского научно-исследовательского института экспериментальной физики, Московского государственного университета им. Ломоносова и др.

Пылевая плазма

Остановлюсь подробнее на фундаментальных и прикладных научных проблемах плазменно-пылевых процессов в Солнечной системе и Вселенной. Исследования пылевой плазмы начались относительно недавно, всего пару десятков лет назад, хотя она является неотъемлемой частью Вселенной на масштабах от приповерхностных планетных экзосфер и колец до пылевых скоплений и протопланетных дисков.

Конечно, прежде всего ученых интересует пыль на поверхности Луны. Американские астронавты отмечали, что лунная пыль стала одной из серьезных проблем при выполнении пилотируемой программы «Аполлон». Острые пылинки (из-за отсутствия ветра и воды их грани не сглаживаются, а остаются зазубренными) налипали на скафандры и космические аппараты, выводили из строя оборудование. Кроме этого, ученых интересует электрический потенциал пылевых частиц, которые под воздействием солнечного ультрафиолета заряжаются и могут левитировать. Пылевые частицы также могут быть носителями органических молекул.

В этом году мы планируем приступить к созданию уникальной многофункциональной экспериментальной лабораторной установки, позволяющей моделировать условия в плазменно-пылевых экзосферах безатмосферных тел, в атмосферах планет, в технологических плазменных установках, имитировать воздействие на аналоги лунного реголита космической среды (солнечное ультрафиолетовое излучение, потоки плазмы солнечного ветра), а также приповерхностных электрических и магнитных полей и сейсмической активности. Это позволит изучить влияние частиц лунной пыли на инженерные системы космических аппаратов, костюмы космонавтов и различное оборудование. С этими знаниями ученые смогут разработать методы защиты от пыли на Луне, а в дальнейшем и на Марсе.

Испытания на растениях

Еще одно важное направление связано с освоением объектов ближнего космоса, в первую очередь Луны и Марса, — ​это изучение влияния ионизирующего излучения и электромагнитных полей на живые организмы. Главным объектом исследований будут растения, поскольку они составляют основу как природных, так и планируемых искусственных экосистем. Будет рассматриваться изменение статуса сигнальных систем, которые активируются при воздействии внешних (космических) факторов и воздействуют на активность физиологических процессов, в том числе фотосинтеза.

В целом мы решаем стратегическую задачу — ​выявление возможностей и механизмов адаптации живых систем к изменяющимся, в том числе экстремальным, условиям на основе сравнительного анализа влияния различных внешних факторов, включая разные компоненты космической радиации и возмущений электромагнитного поля. В результате будут разработаны технические требования для космических систем жизнеобеспечения (космических оранжерей) и для натурных экспериментов.

В этом году мы также планируем создать установку миди-сайенс, моделирующую действие астро- и геофизических факторов в ближнем космосе и на Земле в различные геологические эпохи. Она будет включать блок моделирования физических факторов (закрытые точечные источники ионизирующего излучения на основе солей стронция‑90 и иттрия‑90, катушки Гельмгольца и клетку Фарадея) и блок регистрации состояния растений (систему фенотипирования).

СЛОВАРЬ

Аккреция — ​гравитационный захват вещества и падение этого вещества на космическое тело, например звезду.

Джеты — ​огромные струи плазмы, вырывающиеся с околосветовой скоростью из центра некоторых галактик. Джеты формируются также в магнитосферах звезд, в том числе вырожденных.

Кубсат — ​предложенный в 1999 году в США размерный стандарт микро- и наноспутников, имеющих габариты, кратные кубу. Со временем фиксированные габариты стали меняться кратно: кубсат 1U — ​это кубик 10×10×10 см, 2U — ​два кубика, то есть 10×10×20 см, 3U — ​10×10×30 см и т. д.

Пылевая плазма — ​частично или полностью ионизованный газ, содержащий электроны, ионы, нейтральные и пылевые частицы микронного и субмикронного размера. Образуется в космосе: в туманностях, планетарных кольцах, хвостах комет и у искусственных спутников Земли.