15 февраля 2013 года тысячи жителей Челябинска и окрестных населённых пунктов наблюдали уникальнейшее явление – над Уральской частью России взорвался суперболид и прошёл метеоритный дождь. Это событие стало единственным на сегодняшний день задокументированным случаем падения метеорита на крупный промышленный город. По оценкам НАСА, Челябинский метеорит стал самым большим из известных небесных тел, обрушившихся на Землю, со времени падения Тунгусского метеорита в 1908 году. Учёные ЧелГУ первыми оказались на месте падения и собрали уникальный материал. Какие ещё открытия сделали астрофизики - в нашей статье.
Моделирование в помощь
Доцент кафедры теоретической физики ЧелГУ Сергей Замоздра в своей работе объяснил, как в космосе образуются новые звёзды.
«В наше время новые звёзды рождаются в межзвёздной среде, – разъясняет Сергей Замоздра. – А первые звёзды во вселенной рождались из уплотнений водорода и гелия. Некоторые из них сильно сжались собственным тяготением, то есть испытали гравитационный коллапс. В конце сжатия произошёл сильный нагрев газа и зажигание термоядерных реакций, то есть рождение звезды. Первые звёзды сбросили оболочки, обогащённые тяжёлыми элементами. Из них появилась пыль. Эта пыль попала в холодные межзвёздные облака. Самые плотные из них тоже испытали коллапс и породили второе поколение звёзд. Пыль помогает газу остывать, поэтому второе поколение было менее массивным, чем первое. Кроме того, из пыли появились планеты, а затем и мы с вами. Так что все наши атомы по сути рождены звёздами».
За долгие годы научного поиска астрофизики ЧелГУ многое сделали для развития теории звездообразования. В своё время профессор Александр Дудоров доказал, что магнитное поле молодых звёзд может быть остатком магнитного поля протозвёздных облаков, усиленным при их сжатии. А его ученики пошли дальше. В частности, учёные исследовали один из механизмов образования протозвёздных облаков – ионизационно-тепловую неустойчивость. Именно астрофизики ЧелГУ нашли закон нарушения однородности сжатия этих облаков, а затем выяснили, как затухают колебания магнитного поля в таких объектах. На сегодня построена теоретическая модель для расчёта магнитного поля в дисках, окружающих молодые звёзды.
«Модели – самое ценное в науке, – утверждает Сергей Замоздра. – Именно модели позволяют описать, объяснить и предсказать поведение объекта. А надёжный прогноз в нашем мире – это ни много ни мало – условие выживания человечества! Благодаря способности моделировать и прогнозировать, люди и стали доминирующим видом на Земле. Именно поэтому мы и стремимся к дальнейшему освоению космического пространства, других планет».
Не исключено, что в будущем теорию звёздообразования смогут применить в сугубо практических целях. Например, для оценки и предотвращения угрозы от близкого к Земле рождения новой звезды.
Звёзды по полочкам
Доцент кафедры общей и прикладной физики Ольга Еретнова совместно со своим учителем, профессором Дудоровым, составили каталог открытых недавно молодых звёзд и исследовали их функцию масс.
Учёные показали, что распределение молодых звёзд по массам можно аппроксимировать логнормальным распределением с наиболее вероятной массой около 0.8 масс Солнца. О результатах своей работы астрофизики ЧелГУ доложили на Всероссийской астрономической конференции-2021 «Астрономия в эпоху многоканальных исследований».
Молодые звёзды отличаются тем, что в них ещё не начались термоядерные реакции, они излучают энергию за счёт гравитационного сжатия. Через какое-то время температура в недрах сжимающейся звезды достигнет нужного значения, и тогда произойдёт рождение звезды.
«В нашем каталоге собраны молодые звёзды, у которых массы надёжно определены из наблюдений. Они были открыты совсем недавно, – рассказывает Ольга Еретнова. – Эти небесные тела находятся в областях звездообразования и окружены газопылевыми облаками, что затрудняет их наблюдение. Однако в последние годы произошло значительное увеличение углового разрешения и чувствительности наблюдательных инструментов, поэтому сейчас науке становится известно всё больше и больше новых молодых звёзд».
Эта работа по сбору данных началась в ЧелГУ ещё в 2013 году. Сначала учёные нашли информацию лишь о десяти объектах, а к настоящему времени в каталог входит около сотни молодых звёзд, что и позволило приступить к изучению их распределения по массам.
Исследование, которое проводят астрофизики ЧелГУ, уникально для России: до сих пор подавляющее большинство научных статей о молодых звёздах опубликованы лишь в зарубежных журналах, а функция масс этих небесных тел в настоящее время практически не изведана.
В процессе каталогизации молодых звёзд учёным ЧелГУ посчастливилось узнать об этих небесных телах много интересного. Например, оказалось, что планеты могут образовываться не только у одиночных звёзд, но и у двойных. В настоящее время открыто около 60 планет у двойных звёзд. Так, Kepler-47 — двойная звезда в созвездии Лебедя, в которой обнаружено три планеты. На таких планетах можно увидеть два солнца сразу.
На первый взгляд неискушённому в астрофизике человеку может показаться, что чем больше масса звезды, тем дольше её жизнь. На самом деле это не так.
«Менее массивные звёзды живут дольше, – разъясняет Ольга Еретнова. – Так, наше Солнце уже примерно 5 млрд лет находится в таком же состоянии, что и сейчас. И ещё примерно 5 млрд лет его состояние не будет существенно изменяться. У звезды, которая массивнее Солнца в 10 раз, время жизни короче в 100 раз. И наоборот, если масса звезды меньше в 10 раз солнечной, её время жизни будет в 100 раз длиннее».
Работы по изучению молодых звёзд предстоит ещё много. В частности, астрофизики ЧелГУ предполагают продолжить исследовать распределение по массам молодых звёзд, используя свежие данные о вновь открытых звёздах, у которых наблюдаются протопланетные диски.
«Количество вновь открытых звёзд быстро растёт, – отмечает Ольга Еретнова. – Наличие протопланетных дисков позволяет достаточно точно определять массы звёзд, считая вращение диска кеплеровским. Для таких звёзд возможно сразу построить функцию масс».
Уникальный экземпляр
Изучением космических материалов занимается ректор ЧелГУ, доктор физико-математических наук Сергей Таскаев. В его коллекции осколки не только Челябинского, но и Аризонского метеоритов. Последний был найден во время конференции Materials Research Society Spring Meeting & Exhibition (Аризона, США) в 2017 году. Упавший около 50 тысяч лет назад, Аризонский метеорит почти в три раза больше, чем Челябинский.
«Это очень редкий тип метеоритов, он составляет порядка 5 % от всех, которые падают на Землю. – отметил Сергей Таскаев. – Например, тот, который упал в озеро Чебаркуль и который все знают как Челябинский, – это обычный хондрит, самый распространённый из найденных. Аризонский метеорит состоит в основном из сплава железа и никеля, то, из чего состояла сверхновая звезда, которая когда-то взорвалась в окрестностях солнечной системы».
Кстати, несколько фрагментов Аризонского метеорита из личной коллекции Сергея Валерьевича передано в дар Государственному историческому музею Южного Урала.
Звёздная пыль
Изучению метеоритной пыли посвятила своё исследование и аспирантка физического факультета Галина Савостеенко, которое она проводит под научным руководством Сергея Валерьевича. Она обнаружила во фрагментах метеорита Челябинск неизвестную ранее форму углеродных материалов.
«Во время исследования образцов метеоритной пыли в оптическом микроскопе мы увидели частицы, обладающие признаками кристаллической симметрии, – объяснила Галина Савостеенко. – Проведя более точный анализ с помощью методов электронной микроскопии, мы с удивлением обнаружили, что кристаллы с осью симметрии шестого порядка состоят из чистого углерода. В природе кристаллы углерода (алмазы) обладают кубической симметрией и не могут иметь такой формы. Только экзотическая форма углерода – лонсдейлит (гексагональный алмаз) может выглядеть таким образом, но она никогда не наблюдалась в макроскопических масштабах. Для дальнейшего исследования необходимо было извлечь частицу с подложки, но возникли трудности, так как она слишком мала – около 37 мкм. Мой научный руководитель, ректор Сергей Таскаев, совместно с коллегами из Технического университета Дармштадта в Германии извлекли его и изучили с помощью методов микродифракции – оказалось, что это не алмаз, а углеродный кристалл, огранённый слоями графита. Совместно с корейскими коллегами из национального университета Кёнгпук в Корее с помощью первопринципных методов и методов молекулярной динамики исследовали возможность образования такого рода объектов, оказалось, их центрами кристаллизации являются фуллерены, или нанотрубки».
Ещё один важный результат – в образцах пыли были обнаружены минеральные нити длиной 0.1-1 мм и толщиной 0.01-0.02 мм. Физики ЧелГУ пришли к выводу, что эти нити образуются не только при извержении вулканов, как считалось ранее, но и при пролёте метеоритов сквозь атмосферу, а это кардинально меняет интерпретацию результатов её наличия, например, в ледниковых кернах.
«Уникальные структуры, обнаруженные в метеоритной пыли, которые ранее не наблюдались, ещё раз демонстрируют неограниченный потенциал природы для синтеза новых материалов», – поделилась Галина Савостеенко.
Исследования космоса продолжаются.
