Программа фундаментальных исследований Президиума РАН 22 «Фундаментальные проблемы исследований и освоения Солнечной системы» Раздел 1. Формирование и. - презентация

1 Программа фундаментальных исследований Президиума РАН 22 «Фундаментальные проблемы исследований и освоения Солнечной системы» Раздел 1. Формирование и эволюция Солнечной системы Рук. М.Я. Маров

2 1.1. Происхождение и эволюция Солнечной системы, модельная реконструкция. Задачи: Разработка усовершенствованных моделей термодинамической, космохимической и динамической эволюции допланетного газопылевого диска, фрагментации субдиска на пылевые кластеры, столкновительной релаксации пылевых сгущений и образующихся в течение первых миллионов лет тел астероидных размеров. Лабораторное изучение внеземного (метеоритного) вещества как необходимое условие получения ограничений на модели околосолнечного диска, ключевые проблемы. Исследование межзвездных газопылевых молекулярных облаков, астрохимия. Изучение эволюции орбитальной, вращательной и столкновительной динамики планетезималей. Начальная конфигурация Солнечной системы. Экзопланеты, сравнительная космогония. Исследование космогонических проблем галактических космических лучей (ГКЛ) по метеоритным данным.

3 Подраздел 1: Математическое моделирование Реконструкция процессов эволюции солнечного допланетного диска на основе математического моделирования. А.В. Колесниченко, ИПМ им. М.В. Келдыша Исследование процессов образования когерентных вихревых структур в спиральной турбулентности и генерации системы крупномасштабных 3-х мерных вихрей вследствие инверсного энергетического каскада. А.В. Колесниченко, ИПМ им. М.В. Келдыша Моделирование процессов кластерообразования и эволюции пылевых сгущений с учетом МГД эффектов и турбулентности. А.Е.Королев, А.А.Самылкин, ИПМ им. М.В. Келдыша Моделирование образования и эволюции субдиска, пылевых сгущений и первичных планетезималей. А.Б. Макалкин, И.Н. Зиглина, ИФЗ им. О.Ю. Шмидта Моделирование рождения планетезималей в аккреционных дисках при наличии магниторотационной неустойчивости. С.Д. Устюгов, ИПМ им. М.В. Келдыша Математическое моделирование эволюции твердотельной компоненты допланетного диска. А.В. Русол Математическое моделирование эволюции твердотельной компоненты допланетного диска. А.В. Русол, ГЕОХИ Моделирование взаимодействия гиперзвуковых болидов с аккреционными дисками планет-гигантов. В.А. Кронрод, ГЕОХИ Изучение эволюции орбитальной, вращательной и столкновительной динамики планетезималей. В.В. Емельяненко, Кайгородов П.В., ИНАСАН, И.И. Шевченко, ГАО Содержание:

4 Подраздел 2: Лабораторные исследования первичного вещества, астрохимия Ключевые проблемы лабораторных исследований внеземного вещества по метеоритным данным: происхождение включений, содержащих ультрарефракторные фазы Zr, Y, Sc, Hf в СV хондритах; - происхождение включений, содержащих ультрарефракторные фазы Zr, Y, Sc, Hf в СV хондритах; - изменение изотопии кислорода при метаморфизме углистых хондритов; - изменение изотопии кислорода при метаморфизме углистых хондритов; - определение генетических соотношений между металлом L и H хондритов и метеоритным железом группы IIE; - определение генетических соотношений между металлом L и H хондритов и метеоритным железом группы IIE; - исследования разнообразия магматических пород родительского тела ахондритов; - исследования разнообразия магматических пород родительского тела ахондритов; - исследования микрометеоритов, содержащих данные о безатмосферных телах. - исследования микрометеоритов, содержащих данные о безатмосферных телах. Образование сложных химических соединений в астрохимии, включая химическую эволюцию газопылевых оболочек астрофизических объектов, каталитическую химию на поверхности объектов, химический обмен между пылевой и газовой фракциями и газофазную химию. Космогонические проблемы исследований галактических космических лучей (ГКЛ) по метеоритным данным. Содержание:

5 Подраздел 1: Математическое моделирование

6 Проект 1.1.1: Реконструкция процессов эволюции Солнечного допланетного диска и формирование планетных систем на основе математических моделей Рук. А.В. Колесниченко, ИПМ им. М.В. Келдыша РАН Задача 1: Построение в приближении одножидкостной магнитной гидродинамики модели тонкого, но оптически толстого, некеплеровского диска, с учетом диссипации турбулентности за счёт магнитной вязкости, непрозрачности среды, аккреции из окружающего пространства, воздействие турбулентного αω –динамо на генерацию магнитного поля, магнитное силовое и энергетическое взаимодействие между диском и его короной. Разработка нового подхода к моделированию коэффициентов турбулентного переноса в МГД- активном слое плазмы конечной толщины, отличного от α - формализма Шакуры и Сюняева (Маров, Колесниченко, ) Цель этой части проекта: Изучение различных механизмов генерации магнитных полей (например, самогенерации на аккреционной стадии) в солнечном допланетном диске с целью объяснения остаточной намагниченности фрагментов метеоритных образцов, произошедшей до их объединения в единые агрегаты.

7 Задача 2: Разработка концепции образования и энергетической подпитки когерентных вихревых структур в спиральной турбулентности допланетного диска и генерации системы крупномасштабных 3-х мерных вихрей в результате инверсного энергетического каскада Цель этой части проекта: Исследование механизмов интенсификации механических и физико-химических процессов внутри вихревых структур, благодаря которым возможно самопроизвольное образование и рост газо-пылевых кластеров, стимуляция процессов конденсации и фазовых переходов, процессов массо- и теплообмена между различными областями диска, существенная модификация спектра колебаний и т.п. (Колесниченко, ) Методы исследования: Методы решения задач определяются содержанием исследований и опираются на развитые авторами проекта методы механики сплошной среды, кинетики разреженного газа и вычислительной математики, с применением параллельных алгоритмов и высокопроизводительных ЭВМ План работ на 2012 г.: 1) Разработка магнитогидродинамической модели структуры и эволюции турбулентного аккреционного диска прото-Солнца. 2) Развитие теории вихревого динамо в солнечном протопланетном не магнитном диске с гиротропной турбулентностью.

8 Задача 3: Моделирование с учетом МГД эффектов и турбулентности генерации и эволюции пылевых сгущений до образования твердых тел в зоне Земли, включая модели кластерообразования в диске на основе решения уравнения Смолуховского с использованием алгоритмов весового моделирования Монте-Карло Цель этой части проекта: Численное моделирование эволюции пылевых сгущений и твердых тел в газопылевом допланетном диске и их столкновительного взаимодействия в широком диапазоне параметров, с учетом физико-химической структуры тел и гео- химических следствий (М.Я.Маров, А.Е.Королев, А.А.Самылкин, ; А.В.Колесниченко, М.Я.Маров, 2009) Методы исследования: Статистический метод Монте-Карло для моделирования процессов упругих и неупругих парных взаимодействий частиц, частиц с кластерами и кластер- кластерных взаимодействий, описываемых кинетическими уравнениями Больцмана и Смолуховского План работ на 2012 г.: Разработка весовых алгоритмов прямого статистического моделирования для численного исследования неравновесных кинетических процессов с учетом кластерообразования в газопылевых средах с усложненными физико-химическими характеристиками.

9 Проект 1.1.2: Моделирование образования и эволюции пылевых сгущений и первичных планетезималей Рук. А.Б. Макалкин, ИФЗ РАН Проблема: Образование достаточно крупных планетезималей, удерживаемых от разрушения собственной гравитацией. Механизмы: Увеличение пространственной плотности пылевой фракции газопылевого протопланетного диска за счет оседания агрегатов пылевых частиц (0.1–10 см) к его экваториальной плоскости и уплотнения пылевого слоя (субдиска) при радиальном дрейфе пылевых агрегатов. Образование самогравитирующих пылевых сгущений с астероидными массами внутри субдиска. Их рост и уплотнение благодаря поглощению пыли и слиянию при взаимных столкновениях. Образование крупных планетезималей. (Макалкин, Зиглина, 2004; Маров и др., 2008). Уменьшение радиуса и уплотнение субдиска за 0.1 млн. лет (кривые 1–5).

10 Задача 1. Построение модели эволюции пылевого субдиска с учетом (а) роста пылевых агрегатов при соударениях, (б) их разрушения при фракционном испарении на линии льда и испарения силикатов и железа на внутренней границе субдиска, (в) уточнения модели сдвиговой турбулентности при взаимодействии субдиска с газовым диском, (г) влияния вариаций Р-Т условий в диске. Задача 2. Исследование эволюции параметров пылевых сгущений и первичных планетезималей внутри субдиска – зависимости их масс, размеров и плотности их распределения от радиуса орбиты и времени – с учетом их гравитации и уплотнения при поглощении большой массы пыли и взаимных столкновениях, а также трения пылевых агрегатов о газ. Методы исследования. Численное моделирование, аналитические методы. План работ на 2012 г. 1) Моделирование эволюции субдиска с учетом разрушения и испарения пылевых частиц на фазовых фронтах, а также их роста при столкновениях 2) Исследование зависимости масс, размеров и плотности распределения пылевых сгущений от радиуса орбиты и времени.

11 Проект 1.1.3: Моделирование рождения планетезималей в аккреционном диске при наличии магниторотационной неустойчивости. Руководители : А.В. Колесниченко, С.Д. Устюгов, ИПМ РАН Целевая задача: Рассмотрение в гидродинамическом приближении эволюции аккреционного диска вокруг компактного гравитирующего объекта, выбор начального стационарного состояния диска, минимизирующего влияние граничных условий. Создание пакета программ на основе явной схемы годуновского типа Роу-Эйнфельдта-Ошера, обеспечивающего эффективное решение гидродинамических задач на многопроцессорных вычислительных системах. Математическое моделирование образования и эволюции крупных вихревых структур в аккреционном диске при внесении начальных малых возмущений в равновесное состояние диска в малой области. Исследование возможности перераспределения углового момента крупными вихревыми структурами без заметного нагрева вещества. Изучение динамики крупномасштабных когерентных структур в гидродинамических течениях на основе кинетической теории вихрей. Рассмотрение переходов между областями крупных масштабов (инерционной и высокочастотной) на основе кинетических уравнений для вихревых структур различных типов, детальное описание динамики переходных режимов широкого спектра турбулентных течений и процессов прямого и обратного каскада энергии. Разработка уточненных алгоритмов расчетов для областей фазовых переходов и областей генерации мелкомасштабной турбулентности.

12 План работы на 2012 г. 1. Написание программы с использованием метода PPML для цилиндрической системы координат 2.Моделирование линейной и нелинейной стадии развития магниторотационной неустойчивости 3.Включение в программу расчета динамики твердых тел с помощью метода частиц 4.Моделирование рождение планетезималей в аккреционных дисках при наличии магниторотационной неустойчивости с учетом динамики движения пылевой компонент ы. Методы исследования: Трехмерное численное моделирование турбулентности с магнитным полем в аккреционных дисках с учетом газовой и пылевой компонент на суперкомпьютерах Задача 1 : Анализ физических условий для образования планет в аккреционном диске при наличии турбулентности с магнитным полем. Изучение потери углового момента за счет вязкости, порожденной магниторотационной неустойчивостью.

13 Математическое моделирование эволюции твердотельной компоненты протопланетного диска Проект 1.1.4: Математическое моделирование эволюции твердотельной компоненты протопланетного диска Цель – исследование динамического поведения: пылевых частиц в диапазоне размеров от микронов до 0.1 мм; пылевых кластеров в диапазоне размеров от 1 до 10 см; пылевых сгущений размером до км при парных взаимодействиях; пылевых сгущений при орбитальном движении вокруг центрального тела. Методы 1. Метод проницаемых частиц, для моделирования столкновительной эволюции мелкодисперсных частиц и пылевых кластеров; 2. Метод сглаженных частиц, для моделирования поведения газовой составляющей.

14 План на 2012 г. 1. Влияние турбулентности различных масштабов на эволюцию твердотельной компоненты; 2. Взаимодействие крупных пылевых кластеров с мелкодисперсной пылевой составляющей. РУСОЛ ДОБАВИТЬ КАРТИНКИ – есть файл у Вас на столе, внизу « РУСОЛ Сообщение.doc» Задача 1 :

15 Проект 1.1.5: Торможение, разрушение и захват гиперзвуковых болидов аккреционными дисками планет-гигантов. Руководитель: Кронрод В.А., ГЕОХИ РАН Цель - исследование методами метеорной физики взаимодействия с газом малых космических тел (МКТ), пролетающих через околопланетный диск. Оценки массы захваченного в диск твердого и испаренного (а затем реконденсированного) вещества МКТ, а также последующего влияния этого процесса на состав спутников Основные этапы планируемых работ : (1) Определение ограничений на скорости МКТ, при которых тело остается в аккреционном протоспутниковом диске планеты. (2) Моделирование процессов торможения и абляция МКТ в газовой среде протоспутникового диска.

16 Методы исследования. Численное моделирование. План работ на 2012 г. 1. Определение ограничений на скорости МКТ, при которых тело остается в аккреционном протоспутниковом диске центральной планеты. 2. Моделирование процессов торможения и абляции сверхзвуковых болидов в газовой среде протоспутникового диска. Основные этапы планируемых работ : (3) Моделирование процессов дробления МКТ в газе протоспутникового диска. (4) Оценки массы твердого и испаренного (а затем реконденсированного) вещества МКТ, захваченных диском на различных расстояниях от центральной планеты. (5) Оценки влияния процессов захвата массы МКТ протоспутниковым диском на внутреннее строение регулярных спутников.

17 Подраздел 2 : Изучение внеземного вещества метеоритов (ограничения на математические модели). Астрохимия. Орбитальная динамика. Экзопланеты.

18 Проект 1.1.5: Ключевые проблемы исследования внеземного вещества. Лабораторное изучение метеоритов Руководитель : М.А. Назаров, ГЕОХИ РАН Лабораторное изучение метеоритовЗадачи: установить происхождение включений, содержащих ультрарефракторные фазы Zr, Y, Sc, Hf в СV хондритах;установить происхождение включений, содержащих ультрарефракторные фазы Zr, Y, Sc, Hf в СV хондритах; изучить изменение изотопии кислорода при метаморфизме углистых хондритовизучить изменение изотопии кислорода при метаморфизме углистых хондритов определить генетические соотношения между металлом L и H хондритов и метеоритным железом группы IIE определить генетические соотношения между металлом L и H хондритов и метеоритным железом группы IIE исследовать разнообразие магматических пород родительского тела ахондритов исследовать разнообразие магматических пород родительского тела ахондритов датировать породы KREEP типа в лунном метеорите Dho 1442 датировать породы KREEP типа в лунном метеорите Dho 1442 установить условия образования металлического кремния в лунном метеорите Dho 280 установить условия образования металлического кремния в лунном метеорите Dho 280 изучить микрометеориты в ледниковом покрове Новой Земли. изучить микрометеориты в ледниковом покрове Новой Земли.

19 2. Лабораторное изучение микрометеоритов Задачи: В потоке микрометеоритов, поступающих на Землю, может присутствовать материал всех безатмосферных тел Солнечной системы, в том числе и тот, который не представлен в научных метеоритных коллекциях. Так, в Новоземельской и других коллекциях микрометоритов присутствуют базальтоиды (рис.1), близкие, но отличающиеся по составу от HED метеоритов, отмечаются и другие экзотические частицы (рис.2). Комплексные исследования этих метеоритов по специально разработанным программам. Непереплавленный новоземельский базальтоидный микрометорит NZ-rnd-44, состоящий из пироксенов (Px), плагиоклаза (Pl), и стекла (Gl). Частица несет следы ударного метаморфизма и имеет брекчиевую структуру. План работ на гг. 1.выделение микрометоритов из отложений на поверхности Новоземельского ледника (2012 г.); 2. поиск среди них редких и уникальных разновидностей (2012 – 2013 гг.) 3. установление их возможных родительских тел (2012 – 2013 гг.) Тугоплавкая космическая сферула, состоящая из шпинели MgAl2O4 и оливина.

20 Проект 1.1.6: Образование сложных химических соединений в астрохимии. Руководитель: Шематович В.И., ИНАСАН РАН 1. Астрохимия сложных молекул в межзвездной среде: Химическая эволюция газопылевых оболочек астрофизических объектов определяется совокупным действием большого количества взаимосвязанных процессов, включая каталитическую химию на поверхности объектов, химический обмен между пылевой и газовой фракциями и газофазную химию. Одним из результатов эволюции является образование сложных молекул с биологическим потенциалом. Ледяная мантия СО Н2OН2O Н2OН2O СО 2 NH 3 СH4СH4 УФ излучение Ионы ГК лучей CO+HHCO+HH 2 CO+HCH 3 OH СH 3 OH CO+OCO 2 Тепловая и нетепловая десорбция CO Задача проекта: Анализ возможных химических путей образования сложных молекул (воды, формальдегида, метанола и др.) в условиях дозвездных и протозвездных ядер плотных и холодных молекулярных облаков.

21 2. Астрохимическая кинетика: Исследование астрохимии газопылевых оболочек путем решения численными методами уравнений химической кинетики на микро- и макроскопических масштабах с учетом переноса УФ излучения. В проекте будет использован один из наиболее эффективных кинетических подходов для решения системы кинетических уравнений для химически активных газопылевых сред - метод численного стохастического моделирования (Marov et al., 1996, 1997). Для исследований химической эволюции газопылевых оболочек различных астрофизических объектов будут использованы эффективные алгоритмы кинетического метода Монте-Карло (Цветков и Шематович, 2009, 2010). Задача: создание эффективных численных моделей химической кинетики в межзвездных газопылевых средах. План работ на 2012 г. 1)Разработка гибридной стохастической модели для астрохимии с учетом реакций на поверхности межзвездных пылевых частиц и в газовой среде. 2)Анализ химических путей образования молекул H2O, H2CO и CH3OH на ледяных поверхностях межзвездных пылевых частиц в плотных ядрах молекулярных облаков и сравнение с данными наблюдений.

22 Космогонические проблемы исследований галактических космических лучей (ГКЛ) по метеоритным данным. Руководители: В.А. Алексеев, Г.К. Устинова, ГЕОХИ РАН 1. Космохронология. Особенности эволюции H- и L- хондритов. Цель - выявить наиболее общие особенности и существенные различия происхождения, механизмов образования и эволюции H- и L- хондритов. Методы – - корреляционный анализ статистических распределений радиогенных и радиационных возрастов и орбит обыкновенных хондритов на основе оценки доатмосферных размеров и протяженности орбит обыкновенных хондритов; - анализ содержаний стабильных изотопов, радионуклидов с разными периодами полураспада и треков тяжелых ядер, что позволяет проследить эволюционный путь хондритов от выброса из родительского тела до входа в атмосферу Земли. Распределение H- и L- хондритов и АСЗ в зависимости от q План работ на 2012 г. Создание базы данных по содержаниям космогенных радионуклидов и стабильных изотопов благородных газов в хондритах.

23 Цель: поиск и идентификаци я трансурановых элементов в составе ГКЛ п утем изучения треков в метеоритных минералах. выяв ление структурны х особенност ей гелиосферы в разные фазы солнечных и магнитных циклов путем проведения корреляционн ого анализ а полученных значений градиентов ГКЛ с разными индексами солнечной активности, напряженностью межпланетного магнитного поля и наклоном нейтрального токового слоя позволит. Распределение и вариации радиальных градиентов ГКЛ (E>100 МэВ) в гелиосфере в гг по данным о содержании 54 Mn, 22 Na и 26 Al в свежевыпавших хондритах План на 2012 г: получение экспериментальных и сбор литературных данных по содержанию радионуклидов и изотопным аномалиям в веществе хондритов. 2. Исследование галактических космических лучей (ГКЛ) по метеоритным данным.

24 Проект 1.1.8: Эволюция орбитальной, вращательной и столкновительной динамики планетезималей. Сравнительная космогония, экзопланеты Руководители: В.В. Емельяненко, И.И. Шевченко (ИНАСАН, ГАО) 1. Цель: Анализ моделей нелинейных резонансов в задачах динамики планетных систем. Развитие методов точного оценивания ширины хаотического слоя, ляпуновских и диффузионных времен движения в резонансных мультиплетах, теории свойств кеплеровых и столкновительных отображений. Исследование долговременной орбитальной динамики планетных систем, проблемы типичных вращательных состояний планетезималей, в частности, роль взаимных тесных сближений и столкновений планетезималей в формировании их типичных вращательных состояний. Приложение к задачам динамики планетных систем. Определение исходной конфигурации ранней Солнечной системы. 2. Цель: Исследования специфических особенностей планетных систем у других звезд и свойств экзопланет, в том числе: влияния приливных эффектов на долговременную эволюцию планетных систем и формирование резонансных систем, динамики захвата в резонансы и проявлений динамического хаоса, обусловленного взаимодействием орбитальных резонансов, динамики планет в экзосистемах, влияния приливных эффектов на эволюцию и формирование устойчивых резонансных состояний планетных систем.

25 Цель: Развитие теоретических и численно-экспериментальных методов исследования поясов малых тел в Солнечной системе, включая исследования космогонических процессов, динамической и физической структуры, связи с генезисом комет; развитие методов исследования резонансной и столкновительной динамики малых тел, сближающихся с планетами. Методы исследования: Современные теоретические методы нелинейной динамики, массовый численный эксперимент. Решение конкретных задачах динамики астероидов путем численного интегрирования траекторий с учетом всех существенных возмущений, а также модельных задач. Расчеты ляпуновских спектров, сечений Пуанкаре и диаграмм устойчивости. Планируется развитие новых методов в данных задачах, что позволит, исходя из параметров и начальных данных небесно-механической системы, оценивать важнейшие характеристики резонансной и хаотической динамики исследуемых объектов ляпуновские времена, времена хаотической диффузии, ширину хаотических слоев (параметры областей динамического хаоса). Планируемые результаты в 2012 году: Массовое отождествление астероидов в трехтельных резонансах средних движений с Юпитером и Сатурном, анализ хаотического движения реальных астероидов в трехтельных резонансах. Массовое отождествление астероидов в обычных (двухтельных) резонансах средних движений с Юпитером. Будет осуществлено исследование роли резонансов средних движений в процессах миграции малых тел и в формировании поясов астероидов. Проект 1.7. Резонансная и столкновительная динамика малых тел. Исследования динамической и космогонической эволюции Руководитель: Шевченко И.И., ГАО РАН

26 Планируемые результаты в 2012 году Массовое отождествление астероидов в трехтельных резонансах средних движений с Юпитером и Сатурном, анализ хаотического движения реальных астероидов в трехтельных резонансах. Массовое отождествление астероидов в обычных (двухтельных) резонансах средних движений с Юпитером. Будет осуществлено исследование роли резонансов средних движений в процессах миграции малых тел и в формировании поясов астероидов. Методы исследования Современные теоретические методы нелинейной динамики, массовый численный эксперимент. Численные расчеты будут проводиться в конкретных задачах динамики астероидов путем численного интегрирования траекторий с учетом всех существенных возмущений, а также в модельных задачах. Будут проводиться расчеты ляпуновских спектров, сечений Пуанкаре и диаграмм устойчивости.

27 Проект 1.1.9: Исследование структуры течения в окрестности экзопланет, взаимодействующих со звездным ветром Кайгородов П.В., ИНАСАН Профили линий Si III и C II HD во время и вне транзита полученные на HST в 2009 г. Внизу – спектры поглощения атмосферы планеты (Linsky et al. 2010). Задача : Исследование процессов взаимодействия атмосферы экзопланеты со звездным ветром. При помощи разработанных ранее участниками Проекта трехмерных численных кодов, предназначенных для исследования газодинамики вещества в окрестностях двойных звезд, планируется изучить структуру течения, формирующуюся в результате взаимодействия атмосферы экзопланеты со звездным ветром. Методы: Планируется адаптировать один из разработанных ранее трехмерных газодинамических численных кодов для исследования системы звезда-планета. Эта система может быть рассмотрена как предельный случай двойной звезды с большим отношением масс компонент. План работ на 2012 г. Адаптация численной модели для исследования системы звезда-планета. Проведение тестовых расчетов, отладка численной модели. Проведение трехмерного численного моделирования с параметрами, соответствующими системе HD