Ученые оценили турбулентность в космосе

spaceУченые Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра российского Физического института имени П.Н.Лебедева (ФИАН) оценили турбулентность межзвездной плазмы, природа которой пока не до конца ясна.

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, сообщила пресс-служба ФИАН.

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.