Astronomijas un astrofizikas nodaļa

Astronomijas un astrofizikas nodaļa

Astronomija ir dabas zinātņu nozare, kas pēta dabiskos ārpuszemes objektus (zvaigznes, planētas, asteroīdus u.c. mazos objektus, melnos caurumus, galaktikas, Visumu kā vienotu veselumu), kā arī starpplanētu, starpzvaigžņu un starpgalaktisko vidi. Tiek pētīts objektu un vides telpiskais izvietojums un kustība, uzbūve, ķīmiskais sastāvs, temperatūra un citas fizikālās īpašības, un dabiskie procesi šajos objektos un vidē. Astronomija ir cieši saistīta ar matemātiku, fiziku un ķīmiju, kā arī ģeogrāfiju, ģeodēziju un kartogrāfiju.


Astrofizika ir astronomijas apakšnozare, kas pēta dabisko ārpuszemes objektu (kurus parasti sauc par debess objektiem jeb debess ķermeņiem) un ārpus Zemes atmosfēras esošās vides fizikālās īpašības un fizikālos procesus. Parasti pie astrofizikas pieskaita arī astroķīmiju, kas pēta debess objektu un vides ķīmisko sastāvu un ķīmiskās reakcijas tajos. Šie pētījumi balstās uz pamatideju, ka dabas likumi ir vienādi visā Visumā. 


Fizikas un ķīmijas eksperimentālie rezultāti, teorijas un vienādojumi, kas iegūti un secināti laboratorijās uz Zemes, tiek pielietoti debess objektu un vides novērojumu interpretācijā. Bet eksistē arī vairāki tādi astronomiskie novērojumi, kas izvirza hipotēzes, pārbauda vai precizē fundamentālas fizikālās teorijas, kuras ar mūsdienu tehniskajām iespējām nevar tikt eksperimentāli pārbaudītas laboratorijās uz Zemes. Daži piemēri ir gravitācijas viļņu atklāšana astronomiskos novērojumos; Saules neitrīno oscilāciju atklāšana; Visuma izplešanās paātrināšanās, kas liecina par no nulles atšķirīgu kosmoloģisko konstanti Einšteina gravitācijas lauka vienādojumos. Ļoti interesants astrofizikas izpētes objekts ir kosmiskie stari, kuros atomu kodoli kustas gandrīz gaismas ātrumā, un to enerģija ir nesalīdzināmi lielāka nekā maksimāli iespējamā jebkuros eksistējošos vai pārskatāmā nākotnē iedomājamos elementārdaļiņu paātrinātājos.

Turpmāk aprakstīti VSRC Astronomijas un astrofizikas nodaļas galvenie pētījumu virzieni.


I. Starpzvaigžņu un apzvaigžņu vides pētījumi

Zvaigznes rodas no starpzvaigžņu gāzes, un vecas, evolucionējušas zvaigznes izsviež gāzi un putekļus, bagātinot starpzvaigžņu vidi ar zvaigznēs sintezētiem smagajiem ķīmiskajiem elementiem. Gan gāzē, gan putekļos notiek ļoti daudz ķīmisko reakciju. Spektrāli ir novērotas gan organiskas ķīmiskas vielas (aldehīdi, spirti, aminoskābes, aromātiskie ogļūdeņraži u.c.), kas varētu būt viens no pirmmateriāliem dzīvības izcelsmei uz dažādiem debess ķermeņiem, gan brīvie radikāļi un joni (OH u.c.), kas laboratorijas apstākļos uz Zemes nekavējoties izreaģētu vai neitralizētos. Šie pētījumi padziļina zināšanas par kosmiskās matērijas dzīves cikla būtiskiem etapiem un par vielas īpašībām ekstremālos apstākļos, kas uz Zemes vismaz tuvākajā nākotnē nav un nebūs īstenojami. Tam var būt arī būtiska nozīme jaunu tehnoloģiju attīstīšanā.

VSRC tiek veikti sekojoši pētījumi:
Teorētiskā astroķīmija (J.Kalvāns, A.Vasjuņins). Tiek skaitliski modelētas ķīmiskās reakcijas starpzvaigžņu putekļos un starpzvaigžņu gāzē, it īpaši blīvajos starpzvaigžņu mākoņos, kas ir jaunu zvaigžņu veidošanās apgabali. Teorētiski aprēķinātais starpzvaigžņu vielas ķīmiskais sastāvs tiek salīdzināts ar novērojumu rezultātiem, kas iegūti ar dažādiem pasaules radioteleskopiem – galvenokārt desmitiem un simtiem gigahercu frekvenču diapazonos, kuri ar VSRC radioteleskopiem nav pieejami. Īpaša uzmanība tiek pievērsta kosmisko staru ietekmei uz putekļu temperatūru un ķīmiskajām reakcijām.

Zvaigžņu veidošanās apgabala Oriona miglājā uzņēmums ar infrasarkano kameru HAWK-1, kas veikts ar Eiropas Dienvidu observatorijas (European Southern Observatory, ESO) Ļoti lielo teleskopu (Very Large Telescope, VLT) Čīlē. Kompozīts attēls, veidots no novērojumiem 1,258 μ, 1,62 μ un 2,146 μ joslās. Credit: ESO/H. Drass et al.

Galaktisko māzeru novērojumi (I.Šmelds, A.Aberfelds). Māzers ir lāzers, kas darbojas radioviļņu diapazonā. Dabiski kosmiskie māzeri darbojas galvenokārt tajos pašos blīvajos starpzvaigžņu mākoņos un jaunu zvaigžņu veidošanās apgabalos, kurus pēta VSRC astroķīmiķi. Ar VSRC radioteleskopiem vienas antenas režīmā regulāri tiek novēroti metanola CH3OH un ierosinātā hidroksila OH* māzeri, un ir veikti arī formaldehīda HCOH māzeru novērojumi. 2019. gada oktobra beigās viss Eiropas lielas bāzes radiointerferometrijas tīkls kopīgi novēroja metanola māzerus atbilstoši VSRC un Polijas Zinātņu akadēmijas N.Kopernika astronomijas centra (Toruņā) kopīgi sastādītajai novērojumu programmai.



Asimptotiskā milžu zara zvaigznes R Sculptoris izsviestie gāzu - putekļu apvalki. Novērojumi veikti 0,87 mm viļņa garumā ar radioteleskopu kompleksu ALMA Čīlē. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Maercker et al.


Evolucionējušu zvaigžņu gāzu-putekļu apvalku pētījumi (J.Freimanis, R.Peženkovs). Zvaigznes, kuru masa uz galvenās secības (Saules pašreizējai evolūcijas stadijai līdzīgā etapā) ir apmēram 2 – 8 Saules masas, pēc ūdeņraža pilnīgas pārvēršanās hēlijā zvaigznes kodolā izplešas un pārvēršas sarkanajos milžos. Sfēriskā slānī ap hēlija kodolu ūdeņradis turpina pārvērsties hēlijā, kodols saraujas un kļūst arvien masīvāks, blīvāks un karstāks. Pienāk brīdis, kad kodolā sākas jaunas kodolreakcijas – hēlijs pārvēršas ogleklī un skābeklī, un zvaigzne sarežģītā veidā maina savu novērojamo (virsmas) temperatūru, rādiusu un spožumu; tādas zvaigznes sauc par asimptotiskā milžu zara (AMZ) zvaigznēm. Vairums AMZ zvaigžņu īsā laikā milzīgos apmēros izsviež kodolreakcijās pārstrādātu vielu starpzvaigžņu vidē, izveidojot blīvus, redzamajā gaismā necaurspīdīgus gāzu-putekļu apvalkus; AMZ zvaigzne pārvēršas par pēc-AMZ objektu, pēc tam par planetāro miglāju un galu galā par balto punduri. Vielas izplūde ļoti bieži ir nesimetriska (visbiežāk bipolāra), un dažos virzienos apvalks ir daļēji caurspīdīgs, turklāt izsviestā gāze spīd dažādu spektrāllīniju krāsās, bet gaismas un infrasarkanā starojuma izkliede uz putekļiem rada spēcīgu polarizāciju. VSRC tiek veidota programmatūra šo procesu skaitliskai modelēšanai, lai pārbaudītu dažādas hipotēzes par vielas asimetriskās izplūdes mehānismu.


Starojuma pārneses programmas:

 VSRC GitHub repozitorijs: Radiative-Transfer-programs

II.  Pētījumi Saules atmosfēras fizikā

Saules fizika ir astrofizikas nozare, kas pēta fizikālos procesus gan uz Saules virsmas, gan Saules atmosfērā (hromosfērā un vainagā), gan Saules dzīlēs.

Saules radioastronomija ir astronomijas nozare, kura pēta mums tuvāko zvaigzni, Sauli, radioviļņu diapazonā.

Saules atmosfēra faktiski ir gigantiska dabiska magnetohidrodinamikas laboratorija, kurā īstenojas ļoti sarežģītas nestacionāras magnētisko lauku topoloģijas. No Saules dziļākajiem slāņiem pienāk gan elektromagnētiskais starojums, gan konvekcijas un dažāda veida viļņu enerģija. No Saules atmosfēras nepārtraukti izplūst Saules vējš, laiku pa laikam tajā notiek magnētiskā lauka līniju pārsaiste un Saules uzliesmojumi ar lieliem plazmas un lādēto daļiņu izsviedumiem starpplanētu telpā. Šādus liela mēroga procesus nevar atveidot laboratorijās uz Zemes.

Pētījumiem Saules fizikā ir liela praktiska nozīme, jo tie ļauj prognozēt lādēto daļiņu plūsmas starpplanētu telpā (kosmiskos laika apstākļus) un Zemes tuvumā, kas ir ļoti svarīgi gan no kosmisko aparātu un apdzīvojamo kosmisko staciju drošības viedokļa, gan Zemes biosfēru, tajā skaitā cilvēku ietekmējošo magnētisko vētru prognozei. Vislielākie Saules uzliesmojumi principā var izsist no ierindas praktiski visas sakaru un pat elektroenerģētiskās sistēmas uz Zemes.



VSRC veic šādus pētījumus:

  • Saules aktīvo apgabalu (plankumu un to grupu) izpēte, izmantojot mikroviļņu starojumu (D.Bezrukovs, B.Rjabovs, A.Vrubļevskis). Tiek veikti sistemātiski Saules novērojumi ar VSRC radioteleskopu RT-32, un notiek gatavošanās pirmajiem Saules novērojumiem ar LOFAR vienas stacijas režīmā. Tiek veidotas Saules radiostarojuma kartes dažādās frekvencēs ar atšķirīgām (kreisā un labā riņķa) polarizācijām;


  • Saules aktīvo apgabalu un koronālo struktūru magnētiskā lauka teorētiska modelēšana un izpēte (B.Rjabovs, A.Vrubļevskis). Tiek izmantoti pieejamie novērojumu dati visos spektra diapazonos (radioviļņos, redzamajā gaismā, ultravioletajā starojumā, rentgenstaros), pētot plazmas izplūdi no izolētiem Saules plankumiem, un teorētiski modelēta Saules magnētiskā lauka topoloģija, atšķirot slēgtas magnētiskā lauka līnijas no praktiski vaļējām līnijām (kā zināms, galu galā visas magnētiskā lauka līnijas ir slēgtas, jo magnētiskie monopoli neeksistē; magnētiskais lauks ir elektriskā lauka relatīvistiska korekcija kustīgu elektrisko lādiņu gadījumā).

III.  Polarizēta starojuma pārneses matemātiskā teorija

Par starojuma pārnesi sauc starojuma daudzkārtēju izkliedi vidē. Lielāko daļu informācijas par debess objektiem mēs iegūstam no to novērojamā starojuma, tādēļ ir svarīgi saprast, kā veidojas novērojamā starojuma intensitāte, spektrs, polarizācija un mainīgums laikā atkarībā no objekta uzbūves un īpašībām. Starojuma izplatīšanās reālos objektos mūsdienās parasti tiek modelēta skaitliski, bet analītiska matemātiskā teorija ļauj saprast starojuma kvalitatīvās īpašības un, skaitliski modelējot vienkāršākos gadījumus, pārbaudīt attiecīgo datorprogrammu korektību. Šī teorija tiek izmantota  arī daudzās citās nozarēs, piemēram, meteoroloģijā, Zemes tālizpētē, kodolreaktoru projektēšanā un vadīšanā.

VSRC ar šādiem pētījumiem ilgstoši nodarbojies J.Freimanis. Iegūta polarizēta starojuma pārneses vienādojuma Grīna funkcija bezgalīgā, homogēnā, izotropā, spoguļsimetriskā vidē cilindriskas simetrijas gadījumā, kā arī pārneses vienādojuma cilindriski simetriskās īpašfunkcijas šādā vidē. Konstruēta vispārīga metode pārneses vienādojuma transporta operatora izvedumam patvaļīgā līklīniju koordinātu sistēmā bez refrakcijas un ar to; uzrakstītas polarizēta starojuma pārneses vienādojuma atklātas izteiksmes svarīgākajās ortogonālajās līklīniju koordinātu sistēmās bez refrakcijas.



IV.  Aktīvo galaktiku kodolu pētījumi

Par aktīvajām galaktikām sauc galaktikas, kuras ievērojami atšķiras no galaktiku lielākās daļas ar kādu īpatnību. Tādas ir radiogalaktikas ar neparasti intensīvu radiostarojumu (piemēram, Centauri A, 3C98, 3C31), Seiferta galaktikas (intensīvs starojums visā spektrā, līdzīgas kvazāriem, bet ar skaidri izšķiramu galaktikas perifēro daļu), BL Lacertae tipa galaktikas (jeb BL lacertīdas – intensīvs, stipri mainīgs starojums ar augstu polarizācijas pakāpi), blazāri – galaktiku kodoli, no kuriem gandrīz tieši virzienā uz novērotāju tiek izsviesta relatīvistiska vielas strūkla ("džets"), Markarjana galaktikas (neparasti intensīvs ultravioletais starojums), kvazāri un citas. Kā likums, minētās īpatnības piemīt tieši galaktikas kodolam, kas visos gadījumos ir supermasīvs melnais caurums (106 – 1011 Saules masas). To, ka īpatnējais starojums nāk no galaktikas kodola, pierāda aktīvo galaktiku mainīguma raksturīgais laiks, kas nevar būt būtiski lielāks par laiku, kurā gaismas ātrumā ceļojošs signāls spēj šķērsot izstarojošo apgabalu.

VSRC ar aktīvo galaktiku pētījumiem nodarbojas A.Suharevs un Vl.Bezrukovs. Ar VSRC radioteleskopu RT-32 viņi novēro vairāku galaktiku tipu mainīgumu gan vienas dienas laikā, gan ilgākos laikposmos. Atbilstoši interpretējot, šādi novērojumi var palīdzēt izskaidrot galaktiku kodolu mainīguma mehānismus.



V. Saules sistēmas mazo ķermeņu pētījumi

Saules sistēmas mazie ķermeņi ir asteroīdi, komētas, Kuipera joslas objekti un citi. Šī ir astronomijas apakšnozare, ar kuru VSRC ietvaros vēsturisku iemeslu dēļ nodarbojas Augstas veiktspējas skaitļošanas nodaļa (AVSN), nevis Astronomijas un astrofizikas nodaļa. Sīkāku izklāstu skat. VSRC mājas lapas AVSN sadaļā.


Share by: