Успехи физических наук

А.М. Быков

Огромное выделение энергии при вспышках сверхновых звёзд и наблюдения нетеплового радиоизлучения позволили В.Л. Гинзбургу и С.И. Сыроватскому более 60 лет назад обосновать гипотезу о ключевой роли сверхновых как источников основной компоненты галактических космических лучей. К настоящему моменту многоканальные наблюдения остатков сверхновых во всём диапазоне электромагнитных волн предоставили большой объём данных, подтвердивший факт ускорения протонов и электронов до энергий порядка 100 ТэВ. Остаются открытыми несколько вопросов, среди которых проблема происхождения и поиск источников наблюдаемых космических лучей высоких энергий в интервале от 100 ТэВ до 1000 ПэВ. Решение проблем эффективной конверсии кинетической энергии эжекты сверхновой, вращательной энергии пульсаров, а также анизотропных течений плазмы вокруг аккрецирующих чёрных дыр в популяцию релятивистских частиц требует кинетического моделирования нелинейных механизмов с широким динамическим диапазоном масштабов. Моделирование необходимо, чтобы определить максимальные энергии частиц, ускоряемых сверхальвеновскими течениями плазмы с вмороженными магнитными полями и бесстолкновительными ударными волнами. Задача сводится к выявлению физических механизмов сильного (сверхадиабатического) усиления магнитной турбулентности, необходимого для быстрого ускорения частиц механизмом Ферми. В обзоре представлены результаты кинетического моделирования и анализ нелинейных механизмов формирования сильной анизотропной магнитной турбулентности и спектров ускоренных частиц. Недавние наблюдения орбитальной обсерваторией IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) поляризованного рентгеновского синхротронного излучения остатков сверхновых Тихо Браге, Кассиопея А, SN1006 и др. позволили с использованием нелинейных моделей заглянуть внутрь космических ускорителей частиц и понять механизмы модификации сильных ударных волн. Обсуждаются возможности ускорения ядер космических лучей мощными анизотропными истечениями плазмы в компактных релятивистских остатках коллапсировавших сверхновых звёзд. Молодые пульсары в двойных звёздных системах, а также аккрецирующие чёрные дыры — микроквазары могут ускорять ядра до энергий существенно выше ПэВ.

Л.М. Зелёный, Х.В. Малова, Е.Е. Григоренко, В.Ю. Попов, О.О. Царева, М.В. Леоненко

Рассматривается история исследования тонких токовых слоёв в космической плазме, с протонными толщинами, которые в рамках магнитогидродинамической (МГД) теории считались сингулярными структурами — бесконечно тонкими МГД-разрывами. Отмечается особая роль работ С.И. Сыроватского и его группы в развитии теории и экспериментальных исследований нестационарных тонких токовых слоёв применительно к солнечным вспышкам. Научные многоспутниковые миссии (Интербол, Cluster, MMS) позволили заглянуть внутрь "сингулярностей", оценить сложнейшие процессы накопления, трансформации и высвобождения энергии в них. Накопление данных наблюдений многоспутниковых космических миссий и развитие теоретических моделей тонких слоёв позволило изучить их сложную внутреннюю структуру с иерархическим вложением более тонких токовых слоёв внутрь более широких. Динамика плазмы даже в не очень тонком слое уже не может описываться в МГД-приближении и, как минимум, требует раздельного описания движения электронов и ионов. Особую сложность, в силу их большого ларморовского радиуса (который может превышать толщину слоя), представляет описание ионов. Здесь большую роль сыграла так называемая квазиадиабатическая теория описания движения заряженных частиц при наличии резких магнитных градиентов. Выявлена ключевая роль тонких вложенных структур как триггеров взрывного магнитного пересоединения и преобразования свободной энергии магнитных полей в энергию волн и потоков ускоренных частиц. Подробно освещена актуальная тема наблюдения и интерпретации свойств сверхтонких токовых слоёв с электронными масштабами, которые могут быть как частью многоуровневых вложенных структур, так и самостоятельными нестационарными множественными образованиями, с которыми в горячей бесстолкновительной магнитосферной плазме связаны процессы диссипации магнитной энергии. Быстрая эволюция и распады этих слоёв ведут к ускорению электронов и формированию новых слоёв, также распадающихся и рождающих новые тонкие токовые структуры, т.е. пересоединение на малых электронных масштабах по-прежнему идёт, но происходит в нетривиальном каскадном режиме. Несколько десятилетий уже прошло со времени создания С.И. Сыроватским МГД-модели динамического токового слоя. Поучителен опыт совершенствования как экспериментальной техники, так и теоретического аппарата, которые позволили заглянуть внутрь этих удивительных структур.

И.М. Дрёмин, Д.О. Чернышов

Проблема рождения низкоэнергичных позитронов в Галактике и последующей электрон-позитронной аннигиляции с образованием гамма-квантов вызвала появление разных гипотез об их источниках. Высокая интенсивность гамма-излучения накладывает определённые ограничения на свойства таких источников. Приводятся оценки вклада космических лучей в производство низкоэнергетичных позитронов, ответственных за формирование аннигиляционной линии с энергией 511 кэВ. Хотя темп рождения позитронов в космических лучах не может обеспечить аннигиляционное излучение всей Галактики, их вклад в производство позитронов не является пренебрежимо малым.

А.С. Ильин, А.В. Копьев, В.А. Сирота, К.П. Зыбин

Обзор посвящён недавним успехам в изучении эволюции вмороженных материальных линий и поверхностей в случайных потоках. Интересное свойство данного процесса состоит в том, что на поверхностях могут формироваться долгоживущие когерентные структуры, с которыми оказываются связаны некоторые стохастические интегралы движения. Точный вид таких интегралов зависит от свойств потока, однако при условии локальной изотропии течения они становятся универсальными. Мы находим их в явном виде и обсуждаем красивую математику, связанную с этим фактом.

А.Г. Франк

В настоящем обзоре представлены основные этапы экспериментальных исследований динамики и эволюции токовых слоёв, которые создавались в плазме в сильных неоднородных магнитных полях. Эти исследования были инициированы работами Сергея Ивановича Сыроватского, внесшего выдающийся вклад в создание МГД-теории токовых слоёв. Эксперименты развивались в тесном взаимодействии с теорией и под влиянием теоретических идей и представлений. Установлено, что в плазме высокой проводимости формирование токового слоя приводит к концентрации магнитной энергии, а при взрывном разрушении слоя происходит преобразование магнитной энергии в энергию плазмы и ускоренных электронов. Показано, что триггером разрыва слоя во многих случаях служит быстрый локальный рост температуры плазмы и нарушение поперечного равновесия в пределах токового слоя. Доказана возможность развития токовых слоёв в трёхмерных магнитных конфигурациях, и определён диапазон таких конфигураций. Установлено, что токи обратного направления играют важную роль в ограничении длительности потоков плазмы, которые ускоряются в токовых слоях.

В.Д. Кузнецов

Исследования по физике Солнца были в сфере научных интересов С.И. Сыроватского, они охватывали широких круг проблем, и цель этих исследований состояла в получении единой картины физических процессов на Солнце. Наблюдения с космических аппаратов дают всё более детальную информацию о происходящих на Солнце явлениях и процессах, стимулируя построение физических моделей и давая более глубокое понимание того, как устроено и как работает Солнце. Приводится обзор космических и внеатмосферных исследований Солнца, охватывающих все слои солнечной атмосферы от конвективной зоны и фотосферы до солнечной короны и солнечного ветра.

5 марта 2025 г. в конференц-зале Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (Москва, Ленинский просп., 53) состоялась Научная сессия Отделения физических наук Российской академии наук (ОФН РАН) "Космическая физика и физика плазмы", посвящённая 100-летию со дня рождения Сергея Ивановича Сыроватского.
Объявленная на web-сайте ОФН РАН www.gpad.ac.ru повестка заседания содержала следующие доклады:

1. Зыбин К.П. (Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, Москва). Мелкомасштабное динамо магнитного поля.
2. Зеленый Л.М. (Институт космических исследований РАН, Москва). Тонкие и сверхтонкие токовые слои. Путешествие вглубь сингулярности Сыроватского.
3. Быков А.М. (Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург). Сверхновые звёзды как ускорители космических лучей.
4. Кузнецов В.Д. (Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн имени Н.В. Пушкова РАН, Троицк, Москва). Космические исследования Солнца.
5. Франк~А.Г. (Институт общей физики имени А.М. Прохорова РАН, Москва). Токовые слои Сыроватского — теория и эксперимент.

Обзоры и статьи, написанные на основе представленных докладов 1 — 5, публикуются далее в этом номере журнала Успехи физических наук (УФН) (см. [1—5]).
С тринадцатью статьями Сергея Ивановича Сыроватского, опубликованными в журнале УФН (из которых семь обзоров [6 – 12]), можно ознакомиться на авторской странице С.И. Сыроватского на сайте УФН (см. ufn.ru/ru/authors/11034/syrovatskii-s-i/). Также в УФН были опубликованы некролог С.И. Сыроватского [13] и доклады на Научной сессии ОФН РАН, посвящённой 85-летию С.И. Сыроватского [14].