Ученые КФУ открыли квазары и ионосферные возмущения, создали систему навигации

В 2020 году представители приоритетного направления Казанского федерального университета «Астровызов», которые работали под руководством декана Высшей школы киберфизических систем и прикладной электроники Института физики КФУ Олега Шерстюкова, смогли получить значимые научные результаты, исследуя ближний и дальний космос, развивая киберфизические технологии и решая задачи, связанные с применением результатов космической деятельности в народном хозяйстве.

В 2020 году на космической орбите в окрестностях точки Лагранжа L2 продолжала успешную работу российская орбитальная астрофизическая обсерватория “Спектр-Рентген-Гамма” (с участием Германии), запуск которой состоялся в 2019 году.  Сотрудниками Института космических исследований РАН (ИКИ РАН) совместно с немецкими коллегами были созданы первые рентгеновские карты неба, включающие более миллиона новых источников – квазаров, скоплений галактик, нейтронных звезд и черных дыр.

Большой вклад в наземную поддержку проекта СРГ вносят астрономы КФУ , ведя наблюдения с использованием 1.5-метрового телескопа Казанского федерального университета РТТ-150.  Регулярные высокоточные астрометрические наблюдения РТТ-150 помогают структурам Госкорпорации «Роскосмос» удерживать спутник СРГ на расчетной орбите, в ряде случаев исключая необходимость дополнительных коррекций орбиты.

При участии сотрудников  НИЛ “Рентгеновская астрономия”    начата программа обширных астрофизических наблюдений уникальных объектов, обнаруженных обсерваторией СРГ. В частности,  на РТТ-150 выполнены спектроскопические наблюдения дюжины очень далеких квазаров на красных смещениях z = 3 – 5 (расстояния в 8 – 12 миллиардов световых лет от Земли). В рамках этих исследований впервые в мире выполнены оптическая идентификация квазаров и спектроскопические определения красных смещений (расстояний до квазаров).

На РТТ-150 были осуществлены фотометрические наблюдения наиболее далекого из известных ранее квазаров на красном смещении z = 6.18 в рамках совместных исследований с научной группой академика Рашида Сюняева в ИКИ РАН. Сотрудниками ИКИ по наблюдениям на телескопе еРозита СРГ было показано, что этот источник является самым светимым в рентеновском диапазоне квазаром. А казанские наблюдения на РТТ-150 позволили подтвердить, что высокая рентгеновская светимость является внутренним физическим свойством квазара, а не связана с его вспышечной активностью.

Кроме того, астрономами КФУ совместно с международной группой российских, ирландских и японских ученых был выполнен анализ эволюции оптических спектров Сверхновой SN2014J типа Ia (вспыхнувшей в галактике М82 в 2014 году), полученных на РТТ-150 на небулярной стадии Сверхновой в течение 280 – 415 дней после вспышки.  Получение спектров на небулярной стадии является сложной экспериментальной задачей, так как яркость расширяющейся оболочки угасает в течение года после вспышки

Учеными НИЛ “Космической навигации и планетных исследований” были изучены эволюционные характеристики и распределение вещества целого ряда космических объектов – от тел Солнечной системы до блазаров и массивных галактик. Впервые на основе данных космической миссии «Чандраян-1» и авторского метода определена частота столкновений ударников различного происхождения (комет и астероидов) с Луной, что важно для оценки притока метеороидного вещества на Луну и роли ударников в образовании слоя летучих соединений в холодных ловушках на ее полюсах (например, наносного льда). Метеороидное вещество и летучие соединения на полюсах естественного спутника Земли, основной компонент которых водяной лед, являются важными полезными ресурсами на Луне. Для  массивных галактик впервые было показано, что в областях, близких к галактическим  ядрам имеется повышенная скорость рассеивания газа. Причем радиус зоны излучения аналогичен  радиусу области, в которой газ имеет ускоренную скорость, что может служить индикатором активности ядра массивной галактики. Относительно блазаров были продолжены пионерские работы по определению структуры релятивистского джета и определено, что  релятивистская струя имеет  скрученность, которая определенным образом зависит от расстояния наблюдаемого участка джета от источника излучения. Результаты работы НИЛ «Космической навигации и планетных исследований»  являются важными для создания теории эволюции и освоения космических ресурсов.

Представители НИЛ “Космология” в прошедшем году изучали возможность существования решений типа кротовых нор в скалярно-тензорной теории гравитации Хорндески, являющейся на сегодня одной из самых признанных моделей, расширяющих рамки общей теории относительности. Кротовые норы (гипотетические астрофизические объекты) – это пространственно-временные туннели, соединяющие удаленные области во Вселенной. В перспективе эти объекты могут использоваться для осуществления межзвездных перемещений, поэтому их изучение представляет большой интерес как с теоретической, так и с практической точек зрения. Для теоретического построения кротовых нор в рамках общей теории относительности требуется использование экзотической материи, нарушающей стандартные энергетические условия классической физики. Существование кротовых нор без использования экзотической материи возможно в модифицированных неэйнштейновских теориях гравитации, одной из которых является скалярно-тензорная теория гравитации Хорндески.

Экзотические ночные среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (СМ ПИВ) на широтах ~45° с.ш. были открыты исследователями, работающими в НИЛ Исследований ближнего космоса. Эти лентообразные волновые структуры в ионосфере Земли отличаются от типичных среднеширотных СМ ПИВ тем, что движутся не к экватору, а к полюсу, причем их  волновой фронт наклонен   против хода движения. (У обычных СМ ПИВ фронт наклонен вперед, по ходу движения.) Зафиксировать структуру этих возмущений ионосферной плазмы, горизонтальная ширина которых варьируется в пределах от 200 до 500 километров, а длина вдоль фронта может достигать 2000 километров, позволил выбор нужного ракурса просвета ионосферы по многочисленным линиям ГНСС-спутник – ГНСС-приемник, обеспеченным плотной сетью приемников ГНСС.
Ученым также удалось показать, что на форму и направление движения СМ ПИВ, которые движутся со скоростью 100-150 метров в секунду, могут оказывать влияние термосферные ветра и верхняя часть ионосферы. Ранее считалось, что причиной этому могут быть   либо внутренние гравитационные волны, поднимающиеся из нижней атмосферы, либо нестабильность Перкинса.
Перемещающиеся ионосферные возмущения являются своего рода помехами, искривляющими направление распространения радиоволн, поэтому их исследование имеет большое значение для совершенствования систем радиосвязи, радиолокации, навигации.

Сотрудниками НИЛ “Перспективные системы ориентации, навигации, связи”, научно-технического центра ПАО КАМАЗ и компании «Фарватер» была разработана и испытана система спутниково-инерциальной навигации прецизионной точности, которая может применяться для решения навигационных задач в различных областях – от создания беспилотных транспортных средств различного назначения до разработки сервисов, связанных с геолокацией подвижных объектов. Кроме того, ученые лаборатории трудятся над созданием  перспективных антенных систем.  В данный момент ими ведется разработка  моделей с использованием  методики синтеза антенных систем на основе фрактальных структур, создания моделей быстрого синтеза антенн под конкретные условия эксплуатации.

Представители НИЛ “Космоэкология” смогли произвести количественную оценку факторов эрозии почвы в Европейской части России по данным дистанционного зондирования Земли. В  2020 году ими была решена задача по расчету водной эрозии почв на территории европейской части России с использованием современных информационных технологий пространственного анализа. Водная эрозия  является главным фактором деградации почвенного покрова, от качества которого зависит урожайность.  Ученые КФУ первыми в нашей стране разработали для территории России методику оценки фактора растительности (C-фактора) при мониторинге эрозионных потерь почвы на основе анализа данных дистанционного зондирования Земли из космоса.

В связи со сложной эпидемиологической ситуацией в стране и в мире мероприятий и научных встреч в 2020 году было немного. Тем не менее, нельзя не отметить два важных события. В середине декабря в смешанном очно-заочном формате прошла VII Молодежная школа-конференция «Космическая наука» (Space Science), организованная КФУ совместно с АН РТ.  Ее участниками стали школьники из нескольких городов России и ближнего зарубежья.  Кроме того, в преддверии 2021 года астрономические обсерватории Казанского университета были включены в предварительный список ЮНЕСКО.

Фото: www.iki.rssi.ru