Излучение и структуры в космической плазме в условиях эффективного взаимодействия низкочастотной турбулентности с неравновесными фракциями частиц

Проект посвящен изучению взаимосвязанных кинетических (мелкомасштабных) и магнитогидродинамических (крупномасштабных) нелинейных явлений в бесстолкновительной или слабостолкновительной магнитоактивной плазме, возникающих в результате самосогласованного взаимодействия неравновесных фракций частиц с порождаемыми ими динамическими структурами, излучением и низкочастотной турбулентностью. Детальное описание подобного взаимодействия и сопровождающих его процессов излучения стало доступно лишь недавно благодаря развитию современного численного моделирования, преимущественно с помощью метода частиц в ячейках и гибридных магнитогидродинамических кодов. В данном проекте оно будет использовано наряду с теоретическим анализом, прежде всего квазилинейным, и сопоставлением с наблюдениями, в основном спутниковыми, для исследования перечисленных ниже актуальных проблем физики космической плазмы, допускающих сходные подходы к их решению и во многом тесно связанных между собой. 1) Эволюция особого класса радиационных ударных волн, возникающих в окрестностях гиперновых звёзд (в том числе в источниках гамма-всплесков): планируется изучение кинетических, радиационных и гидродинамических процессов, идущих при расширении плазмы в результате вспышки гиперновой, и нахождение определяемых ими эволюционирующих структур релятивистских ударных волн и их возможных неустойчивостей с учётом неоднородной окружающей среды (в сферической геометрии), рождения электрон-позитронных пар, развитой квазимагнитостатической турбулентности и существенной роли возникающего синхротронного и комптоновского излучения соответствующих космических гамма-всплесков. 2) Развитие мелкомасштабной магнитной турбулентности в звёздном ветре и её влияние на крупномасштабные структуры в фиксированном внешнем магнитном поле: будут проанализированы формирование и особенности квазистационарного турбулентного магнитного поля звёздного (солнечного) ветра на основе исследования долговременного нелинейного развития двухкомпонентной неустойчивости электронов и ионов вейбелевского типа в условиях сравнимого энергосодержания их сильно анизотропных фракций в рамках постановки начальной задачи в плавнонеоднородной плазме с учётом эволюции функций распределения неравновесных частиц, их анизотропной подкачки и наличия внешнего магнитного поля, прежде всего, в магнитослоях планет, на начальной стадии ускорения звёздного ветра и в корональных арках. 3) Возникновение и эволюция дискретных спектрально-временных структур свистовых волн в магнитосфере Земли и других планет: будет разработана физически оправданная модель формирования дискретных электромагнитных излучений с дрейфом частоты в свистовом диапазоне частот (хоровых и триггерных сигналов) и дано объяснение наблюдаемых качественно различных динамических спектров этих излучений с учётом взаимодействия резонансных высокоэнергичных электронов с генерируемой ими турбулентностью свистовых волн в магнитосферной плазме в отсутствие нелинейного взаимодействия последних с ионами и низкоэнергичными электронами; планируется также провести детальный анализ процессов генерации и распространения свистовых волн в магнитосфере Юпитера, для которой, в отличие от магнитосферы Земли, характерны плазменные режимы с малой плотностью, когда плазменные частоты много меньше гирочастот электронов. Несмотря на различия выбранных проблем, есть серьезные основания для их изучения в рамках одного проекта. (а) Во всех перечисленных проблемах ключевую роль играют нелинейные эффекты, связанные со взаимным влиянием неравновесных частиц и порождаемых ими турбулентностью и излучением. (б) Все рассматриваемые явления относятся к наиболее энергичным в своих классах и связаны с высокоинтенсивной низкочастотной турбулентностью, которая в значительной мере определяет крупномасштабные плазменные структуры и их электромагнитное излучение. (в) Численные модели всех кинетических процессов будут строиться на общей платформе моделирования методом частиц в ячейках (particle in cell, PIC, для которого планируется применять открытый код EPOCH) с использованием, при возможности, оригинальных программ магнитогидродинамического или гибридного моделирования на больших масштабах. (г) Для верификации установленных эффектов будут использоваться общие для всех задач подходы сравнительного анализа имеющихся наблюдательных данных и полученных результатов численного и аналитического исследования ряда количественных характеристик функций распределения частиц, мелкомасштабной турбулентности и крупномасштабных плазменных структур. (д) С целью выяснения качественных сторон основных (общих) физических явлений в рассмотренных задачах космической плазмы будет дана оценка возможности их реализации в лабораторных условиях и для благоприятных случаев проведено численное моделирование качественно схожих явлений в лазерной плазме. Наконец, немаловажным является то обстоятельство, что участники коллектива и, в первую очередь, основные исполнители имеют широкий круг интересов, включающий две или три из указанных проблем проекта. Существенная дополнительная цель проекта — стимулировать творческий взаимообогащающий обмен идеями и опытом исследователей с разными подходами к задачам, имеющим общие фундаментальные основы. Все участники, включая руководителя, в процессе работы над данным проектом рассчитывают заметно расширить область своей научной деятельности. Для всех поставленных в проекте задач будет дана физическая интерпретация полученных результатов моделирования и проведено их сравнение не только с результатами известных наблюдений и экспериментов, но и между собой, что позволит выявить фундаментальные общие черты рассмотренных нелинейно-волновых процессов в слабостолкновительной плазме, т.е. в целом обогатить физику космической плазмы. Вместе с тем практическим итогом выполнения проекта будет выяснение условий существования и характера протекания этих нелинейных (либо квазилинейных) процессов для целого ряда конкретных объектов и плазменных образований в ближнем и дальнем космосе – планетарных и звёздных магнитосферах и астрофизических выбросах плазмы (джетах). Указанные обстоятельства определяют научную новизну и мировой уровень ожидаемых результатов проекта.