Nega yulduz changini o‘rganish kerak? Bu haqda NSFM astrofiziklari hikoya qilishadi to’liq malumot oling

Koinot jismlarini kuzatish qadim zamonlardan beri olib borilmoqda va ular darhol tasdiqlab boʻlmaydigan nazariyalar bilan toʻlib-toshgan. Biz astrofizikaning nazariy muammolari va ularni hal qilishning amaliy usullari haqida N + 1 hamda Milliy fizika va matematika markazi hamkorligida tayyorlangan maqolada aytib oʻtamiz.

Fizika va kompyuter texnikasining rivojlanishi bilan fazodagi jismlarning xususiyatlarini kuzatish va ularning harakatini modellashtirish imkoniyati paydo boʻldi. Natijada astrofizikaning baʼzi sohalarida ilgari surilgan nazariyalar tasdiqlana boshladi. Gravitatsion toʻlqinlar bilan ham xuddi shunday boʻldi. Albert Eynshteyn ularning borligi haqida 1916-yilda gapirgan edi. Biroq toʻlqinlar tajribalar yordamida yaqinda, yaʼni 2015-yilda kashf etildi. Bunday kashfiyot uchun 2017-yilda fizika boʻyicha Nobel mukofoti ham berildi. Kashfiyotga ikkita qora tuynukning birlashishini kuzatgan murakkab detektorlar tufayli erishildi.

Astrofiziklar yangicha texnik darajadagi laboratoriya tadqiqotlari olib borish uchun kerakli sharoitlarga egalar. Masalan, Fizika va matematika milliy markazi (NSFM) laboratoriyalarida xuddi shunday. Hozirda Spektr-RG nomli nemis-rus teleskopi koinotda ish olib bormoqda. Teleskop elektromagnit spektrini rentgen va gamma diapazonlarida kuzatish imkonini beradi. Rossiyada “Spektr-UV” teleskopi ham ishlab chiqilmoqda va u ultrabinafsha toʻlqinlarda koinotni oʻrganish uchun parvozga tayyorlanyapti.

NSFM faoliyat yoʻnalishlaridan biri “Astrofizika va geofizika eksperimental laboratoriyasi” (ELAG) deb ataladi. Uchta institut – Rossiya Fanlar Akademiyasining Koinot tadqiqotlari instituti (IKI RAN), Rossiya Fanlar Akademiyasining Amaliy fizika instituti (IPF RAN) va Rossiya Fanlar Akademiyasining Yuqori Haroratlar boʻyicha Qoʻshma instituti (OIVT RAN) vakillaridan iborat markaz jamoasi Quyosh tizimi va Koinotdagi chang va chang plazmasini oʻrganish boʻyicha eksperimental qurilma yaratish ustida ishlamoqda.

Plazma modda holatlaridan biri boʻlib, u elektr zaryadlangan zarrachalardan iborat gazdir. Changli plazma esa plazmaning bir turi boʻlib, u zaryadlangan qattiq yoki aerozol moddasining makrozarralaridan iborat. Uskuna NSFM hududida 2023-yilda ishga tushiriladi. Markaz Sarov shahrining ochiq maydonida joylashgan.

Nima uchun aynan chang olimlarning tadqiqot obyektiga aylandi? Oy regolitiga (tosh) quyidagi bir qator omillar taʼsir koʻrsatadi: Quyosh shamoli oqimlari, Quyoshning ultrabinafsha nurlari, kichik meteorit oqimlari, Yer magnitosferasi dumining plazmasi va boshqalar. Quyosh ultrabinafsha nurlari taʼsirida regolit tarkibidagi chang zarralari elektr xususiyatiga ega boʻladi, yaʼni, elektrlashadi. Qisman shu sababli maʼlum sharoitlarda chang Oy yuzasidan koʻtarilib, ajrab chiqa boshlaydi. Amerikalik astronavtlar Oyda duch kelgan asosiy muammolardan biri chang ekanini taʼkidlagandi. Chang skafandr, fazoviy uskuna va jihozlarga yopishib qolgan.

Ilya Kuznetsov, Rossiya Fanlar akademiyasining Koinot tadqiqotlari instituti / Suratni intervyu qahramonining oʻzi taqdim qildi.

Bizning “changli plazma”ni oʻrganish yoʻnalishimiz nisbatan yosh. U bor-yoʻgʻi bir necha oʻn yoshga kirgan xolos. Qizigʻi shundaki, ushbu hodisaga mikroelektronik qismlarni ishlab chiqarishda yuzaga kelgan muammolar paydo boʻlgandan keyin katta eʼtibor berila boshlandi. Mikrochiplarni ishqalash (sirtqi qatlamni shilib tashlash) paytida changli plazma kristallarni ifloslantirgan va integral mikrosxemalar ishlab chiqarishga xalaqit bergan. Biroq texnologiya rivojlanishi bilan ushbu muammo hal qilindi.

Oxirgi yigirma yillikda soha boʻyicha ilmiy maqolalar nashr etish faolligi sezilarli darajada oshdi. Olimlarning chang plazmasiga boʻlgan qiziqishi ortidan oʻnlab noyob tajribalar oʻtkazilmoqda. Misol sifatida XKS (Xalqaro Kosmik Stansiya)da amalga oshirilgan mikrogravitatsiya sharoitida chang plazmasini oʻrganish boʻyicha “Plazma kristali” nomli taniqli rus-nemis tajribasini keltirish mumkin.

Kosmonavtlar bosh kiyimida oʻrnatilgan vizor oynasini koʻz oldingizga keltiring. Vizorning ustiga chang toʻplanishi katta muammo boʻlishi mumkin va uni tozalash esa undan-da muhim ahamiyat kasb etadi. Muammoni hal qilish uchun vizorga bunday zarralarni qaytarib yuborish xususiyatiga ega boʻlgan shaffof qatlam oʻrnatilishi mumkin. Agar gap qandaydir optik uskuna haqida ketadigan boʻlsa, obyektiv atrofida qaytaruvchi emas, aksincha, changni oʻziga tortadigan elektrodni joylashtirish mantiqan toʻgʻri boʻladi. Bu esa qurilmani biroz tozalashga imkon beradi.

Changli plazmaning xususiyati elektrostatik, yaʼni bu makrozarralar maʼlum bir zaryadga ega ekanini hisobga olsak, ularni zararsizlantirish uchun turli usullardan foydalaniladi. Ushbu changdan himoya qilinishi kerak boʻlgan yuzalar elektr oʻtkazuvchan boʻlishi mumkin. Bu holatda ularga potentsial (elektrlash mumkin boʻlgan maxsus holat) qoʻllanishi va shu bilan zarrachalarni qaytarib yuborish mumkin.

Mana shunday himoya tizimlarini Sarovdagi tajriba obyektimizda Yer yuzasiga yaqin joylashgan ekzosferaga oʻxshash sharoitda sinab koʻrish mumkin. Ularning haqiqatan ham chang zarralarini qaytarib yuborishi yoki yubormasligi shu tariqa tekshiriladi.

Ilya Kuznetsov, IKI RAN

Ultrabinafsha nurlari chang koʻtarishning yagona manbai emas. Mikrometeorit oqimlari bir-biri yoki jismlar bilan toʻqnashganda samoviy jismlar yuzasidan chang koʻtariladi. Baʼzi jismlarda changning koʻtarilishiga seysmik faollik ham taʼsir qilishi mumkin.

NSFM murakkab uskunaga ega boʻlib, u kosmik jarayonlarni iloji boricha aniqroq takrorlash imkonini beradi. Uskunada chang zarralari toʻzgʻitilib, harakatga keltiriladi.

Kelasi yili olimlar NSFM qoshida atmosferasiz jismlarning plazma-chang harakatini modellashtirish uchun “tezkor ishga tushirish” uskunasini qurishadi. Past bosimdagi chang plazmasini oʻrganish uchun moʻljallangan qurilma 80-200 kvadrat metr oʻlchamdagi xonaga joylashtiriladi: bu esa Oy chang zarralarining kosmik kemalar element va tizimlarining ishlashiga, astronavtlar kostyumlari, quyosh panellari, kuzatuv-suratga olish uskunalariga taʼsirini oʻrganish imkonini beradi.Olingan xulosa evaziga olimlar Oyda va Mars atmosferasida changdan himoyalanish usullarini ishlab chiqishi mumkin boʻladi.

Ushbu loyihani amaliyotda qoʻllash atmosferasiz samoviy jismlarni chang va chang plazmasi taʼsiridan qutqarish uchun materiallar va himoya vositalarini ishlab chiqishga olib keladi.

Albatta, birinchi navbatda, Oy olimlarda eng katta qiziqish uygʻotadi. Oy nozik regolit toshlari bilan qoplangan va yuzaga meteorit urilganda, chang gʻayrioddiy harakat qila boshlaydi, xususan, koʻtarilib, muallaq holda saqlanib qoladi. Oydagi chang juda kichik, Yerdagi changga qaraganda maydaroq. IKI RANʼda bu masalalar bilan maxsus laboratoriya shugʻullanadi. Chang muammosini hal qilish kelajakda Oyga qoʻnish uchun juda muhimdir.

Laboratoriya chang plazmasini oʻrganishning turli effektlari uchun moʻljallangan tajriba qurilmalarining global kompleksi-konstruktori vazifasini oʻtaydi. Qurilma qismlarini tajriba maqsadiga moslashtirish mumkin. Laboratoriyaning asosiy qismlaridan biri 1 kubometr oʻlchamdagi vakuum kamerasi boʻladi. Kameraning cheklovchi vakuum darajasi 10-6 Torrʼdan past boʻlmaydi. Bu esa undagi vakuum holatini Oy yuzasiga yaqinroq modellashtirish imkonini beradi.

1 kubometr oʻlchamdagi vakuum kamerasi qurilmalar yoki ularning modellarini kamera ichiga joylashtirish uchun yetarli. Gap amaliy tadqiqotlar haqida boradigan boʻlsa, biz changni nazorat qilish usullarini yoki changni oʻrganadigan qurilmalarni kalibrlashni yoxud qurilmalar yordamida chang tadqiqotga qanday xalaqit berayotganini koʻrib chiqishimizga toʻgʻri keladi. Agar tajriba kam miqdordagi regolit bilan oʻtkazilsa, bunday vakuumli muhit shart emas.

Shuningdek, uskuna chang zarralariga qaratiladigan ultrabinafsha nurlanish manbasini ham oʻz ichiga oladi. Gap shundaki, Yerda Quyosh spektriga tegishli ultrabinafsha diapazonining katta qismi yoʻq va bu diapazon chang zarralarining faollashishiga hamda atmosferasiz jismlarning plazma-chang dinamikasiga katta taʼsir koʻrsatadi. Quyosh spektrining bu qismi atmosfera tufayli Yerga yetib bormaydi. Laboratoriya sharoitida biz uni turli manbalar bilan yaratib koʻramiz. Masalan, eksimer lampalarni olaylik. Ular ultrabinafsha nurlanish manbai boʻlgan gazda qizuvchi lampalarining bir turi hisoblanadi. Argon eksimer lampalari har kvadrat santimetr uchun oʻnlab millivatt qiymatdagi intensivlik choʻqqisi 126 nanometr toʻlqin uzunligiga teng boʻlgan ultrabinafsha nurlarini chiqaradi. Bunday manbalar bizga chang zarralarini Oyda boʻladigan jarayonlardek zaryadlash imkonini beradi.

Bundan tashqari, laboratoriyada uchib yuradigan changning xossalarini va tajriba vaqtida kamerada yuzaga keladigan sharoitlarni kuzatish hamda aniqlash imkonini beruvchi jihozlar boʻladi.

Optik kuzatuvlar uchun kamida ikkita videokamera oʻrnatiladi. Kameralar chang trayektoriyasini keyinroq qayta tiklash uchun uning harakatini sinxron ravishda yozib boradi. Harakatlarni aniqroq koʻrish uchun lazer yoritgichdan foydalaniladi.

Ilya Kuznetsov, IKI RAN

Plazma-chang astrofizikasi muammolaridan tashqari ELAG NSFM markazida atmosferadagi yuqori kuchlanishli elektr zaryadlarini oʻrganish, sayyora va yulduz yadrolariga xos boʻlgan oʻta yuqori bosim sharoitida materiyani oʻrganish, shuningdek, fotosintez muammolariga javob izlanadi. Tajriba tadqiqotlari astrofizik va geofizik omillarning fotosintez jarayonlariga taʼsiri va ularni oʻsimlik signal tizimlari bilan tartibga solish borasida olib boriladi.

Sergey Moiseyenko, Rossiya Fanlar akademiyasining Koinot tadqiqotlari instituti / Surat suhbat qahramonidan olingan.

ELAG NSFM loyihasida bir qator dunyoga mashhur olimlar ishlaydi. Men ulardan bir nechtasini sanab oʻtaman (hamkasblarim mendan xafa boʻlmaydi degan umiddaman). ELAG NSFM rahbari va IKI RAN ilmiy direktori, akademik Lev Matveyevich Zeleniy kosmik plazma fizikasi sohasida jahon miqyosidagi mutaxassislardan biridir. Fizika-matematika fanlari doktori, professor Gennadiy Semenovich Bisnovatiy-Kogan (IKI RAN) dunyodagi eng mashhur astrofizik olimlardan biri, astrofizikaning turli sohalarida bir qator klassik asarlar muallifi hisoblanadi. Nijniy Novgoroddagi Amaliy fizika institutida ishlaydigan akademik Yevgeniy Anatolyevich Maleyev, atmosfera fizikasi, atmosfera elektr energiyasi, ionosfera va magnitosfera plazmasida toʻlqinlarning paydo boʻlishi va tarqalishi boʻyicha yetuk mutaxassisdir.

ELAG NSFM yoʻnalishimiz ishtirokchilarining deyarli barchasi yoki mutlaq koʻpchiligi nafaqat fan bilan shugʻullanadi, balki turli universitetlarda – Moskva fizika-texnika instituti, Moskva davlat universiteti va Milliy tadqiqot universiteti Oliy iqtisodiyot maktabining fizika fakultetida dars beradi. Xususan, Milliy tadqiqot universiteti Oliy Iqtisodiyot maktabida Rossiya Fanlar Akademiyasi Koinot tadqiqotlari institutining kosmik fizika boʻyicha asosiy kafedrasi mavjud. Men ham oʻsha yerda gaz dinamikasi va astrofizikada qoʻllanadigan raqamli modellashtirish asoslari boʻyicha dars beraman. Kafedra yaqinda tashkil etilgan boʻlsa-da, u yerda allaqachon bakalavrlar, magistrlar va hatto aspirantlar tahsil olmoqda. Kafedraning asosiy eʼtibori yuqori energiya astrofizikasi, kosmik plazma fizikasi va Quyosh fizikasi kabi yoʻnalishlar boʻyicha mutaxassislar tayyorlashga qaratilgan.

Sergey Moiseyenko, IKI RAN

NSFM laboratoriyasida ilmiy tadqiqotning asosiy yoʻnalishlari:

• relativistik astrofizika;

• ikkilik yulduzlar fizikasi va rivojlanishi;

• oʻzgaruvchan yulduzlarni oʻrganish;

• galaktika va yulduz tizimlarining tuzilishi va dinamikasi;

• galaktikalar fizikasi;

• Quyosh fizikasi va geliseysmologiya ;

• kuzatuv astrofizikasi.

Koinotning rivojlanish jarayonlarini modellashtirish va simulyatsiya qilish orqali kosmologlar va nazariyotchi fiziklar Galaktika tuzilishi sirlarini ochishlari mumkin. Bu esa olimlarni Yerda “sunʼiy Quyosh”ni yaratish kabi istiqbolli gʻoyalarga undaydi.

Ushbu laboratoriyalar NSFM qoshida 2025-yilgacha ishga tushiriladi. 2030-yilga borib limlar Milliy markaz hududida ekzavattli lazer va megafan sinfiga kiruvchi elektron-pozitron kollayder, shuningdek, yirik fotonik hisoblash markazi kabi yanada yirik ilmiy infratuzilmalarni yaratishni rejalashtirmoqda.

Muallif: Anna Polunina, Ivan Nosatov. Ushbu maqola nplus1.ru saytidagi “Зачем исследовать звездную пыль? Рассказывают астрофизики НЦФМ” nomli maqolaning tarjimasi.
Muqova surat:freepik.com