Самарские ученые разгадали тайну рождения плазменных "фантомов" в созвездии Ориона

Ученые Самарского университета им. Королёва и Самарского филиала Физического института им. Лебедева РАН с помощью математических расчетов и численного моделирования установили причины возникновения в космосе плазменных "фантомов" - гигантских структур различной формы, наблюдаемых в Барьере Ориона, одной из областей созвездия Ориона.

Упорядоченно перемещающиеся структуры из оптически тонкой плазмы в виде нитей, шаров и волн были засняты ранее с помощью телескопов земного и космического базирования. Выдвигались различные гипотезы о природе происхождения этих объектов. Самарские ученые первыми математически доказали, что причиной могут быть автоволновые акустические возмущения, возникающие в межзвездном газе Барьера Ориона из-за теплового дисбаланса среды.

Данное исследование было поддержано Министерством науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания образовательным и научным учреждениям. Результаты научных изысканий опубликованы в авторитетном международном журнале Astronomy & Astrophysics.

"Отечественными учеными ранее была выдвинута гипотеза, что причиной появления особого вида субструктур в Барьере Ориона может быть так называемая изоэнтропическая, или акустическая, неустойчивость. Мы математически доказали эту гипотезу с помощью систем газодинамических уравнений, описав наиболее вероятный механизм образования этих субструктур, наблюдаемых с помощью телескопов. Нами было проведено численное моделирование эволюции ударно-волнового импульса, распространяющегося в среде с параметрами области Барьер Ориона, и полученные в результате периодические структуры близки по характерному размеру и периоду следования с наблюдаемыми в космосе субструктурами, то есть в ходе моделирования мы получили такую же картину, что видна в Барьере Ориона", - рассказал один из авторов исследования Дмитрий Завершинский, заведующий кафедрой физики Самарского университета им. Королёва.

Такое физическое явление, как изоэнтропическая (акустическая) неустойчивость, возникает в среде, где нагрев и охлаждение по каким-то причинам перестают компенсировать друг друга. В результате из-за нарушения теплового равновесия возникает ситуация, когда любое малое возмущение в этой среде вызывает серию мощных ударных волн - как необычное эхо, которое не утихает, а наоборот, становится с каждым повтором громче. Подобное явление встречается в различных средах - как на Земле - в плазме, создаваемой в лабораторных условиях, так и в естественных условиях космоса, например, в солнечной короне и даже в ионосфере Земли.

"Изоэнтропическая неустойчивость вызывает усиление акустических волн из-за возникающей положительной обратной связи между волнами и неравновесным тепловыделением. Это можно сравнить с таким известным бытовым явлением, когда микрофон, расположенный недалеко от колонок, начинает улавливать звук из колонок, и раздается сильный свист или гул, сигнал как бы зацикливается, многократно проходя через усилитель. Здесь в роли микрофона с усилителем выступает межзвездный газ, находящийся в Барьере Ориона", - отметил Дмитрий Завершинский.

Как установили ученые, газодинамические возмущения в Барьере Ориона могут превращаться в импульсы ударных волн при температурах среды выше 480 кельвинов (около 207 градусов Цельсия). Более плотные области ионизированного межзвездного газа становятся горячее и, обладая более высоким давлением по сравнению с разреженным окружением, начинают перемещаться в пространстве со сверхзвуковой скоростью целыми группами и фронтами, принимая различные формы. Именно эти гигантские сгустки газа во главе ударных акустических волн и являются теми самыми плазменными "фантомами", увиденными с помощью телескопов.

Согласно расчетам, примерные размеры наблюдаемых "фантомов" (например, длина или диаметр) - порядка 120 млрд км, а расстояние между их группами (фронтами импульсов) - около 600 млрд км. К сожалению, "услышать" ритмичную "музыку небесных сфер" с помощью этих акустических волн не получится - и не только по причине огромного расстояния (от Земли до Барьера Ориона примерно 414 парсеков, или свыше 12 квадриллионов км). Просто из-за очень низкой плотности межзвездного газа длина этих акустических волн слишком велика, что делает их недоступными для человеческого слуха. Да и прослушать "композицию" целиком человеческой жизни не хватит: расчеты показывают, что амплитуда ведущего импульса волн достигает своего стационарного значения в пределах от 5 тысяч до 40 тысяч лет.

"Наше исследование позволяет заметно расширить знания о формировании и эволюции структур ударных волн в фотодиссоциативных областях космоса на примере Барьера Ориона. Комбинируя аналитические и численные подходы, мы смогли смоделировать нелинейную динамику этих структур и сравнить наши результаты с данными наблюдения с различных телескопов, включая ALMA, Herschel, Keck и космический телескоп "Джеймс Уэбб". Созданная нами модель хорошо согласуется с наблюдаемыми динамическими структурами в Барьере Ориона и помогает глубже понять физические процессы, управляющие межзвездной средой во Вселенной", - подытожил Дмитрий Завершинский.


Автор фото: Виктория Старосельская