5.    ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАВЕРШЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

 

Важнейшие результаты научных исследований, рекомендованные ученым советом Института космических исследований в отчет РАН, доклады Президента РАН и академика-секретаря ОФН:

 

Детальные измерение спектра аннигиляции позитронов в центральной области Галактики обсерваторией ИНТЕГРАЛ.

Важнейшим результатом работы обсерватории ИНТЕГРАЛ, запущенной на орбиту с космодрода Байконур в конце 2002 года, стало детальное измерение спектра аннигиляции позитронов в центральной области Галактики. Уникальной, по сравнению с другими работающими орбитальными обсерваториями, является способность обсерватории ИНТЕГРАЛ регистировать ядерные гамма-линии на энергиях от 50 кэВ до 8 МэВ с разрешением в несколько кэВ. Около четверти наблюдательного времени этой международной обсерватории (совместный проект Европейского космического агентства, России и США) принадлежит российским ученым. Значительная часть этого времени была использована для тщательного исследования области Центра нашей Галактики и поиску аннигиляционного излучения позитронов. На Рис.1 показана сглаженная карта излучения нашей Галактики в линии аннигиляции позитронов, полученная в ИКИ РАН. Яркое пятно в центре карты соответствует центральной области Галактики. Детальные измерения показывают, что большая часть излучения сосредоточена в области размером менее 10 градусов вокруг динамического центра Галактики. По полному измеренному потоку излучения было показано, что в этой области каждую секунду аннигилирует около 10⁴³ позитронов.

Рисунок 1: Сглаженная карта излучения Млечного Пути в линии 511 кэВ по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ. Центральное яркое пятно соответствует области Галактического центра.

На Рис.2 представлен спектр аннигиляционного излучения, полученный обсерваторией ИНТЕГРАЛ, позволяющий получить уникальную информацию о свойствах среды, в которой происходит аннигиляция позитронов. Позитроны практически всегда рождаются "горячими", с кинетической энергией, сравнимой с их массой покоя. В межзведной среде позитроны постепенно остывают и затем формируют "атомы" позитрония - аналог атома водорода, в котором протон заменен на позитрон. В зависимости от полного спина позитрония он распадается на два или три фотона, что приводит к появлению двух компонент в наблюдаемом спектре - узкой линии на энергии 511 кэВ (распад на два фотона, красная кривая на Рис.2) и широкому континууму на более низких энергиях (трех-фотонный распад, синяя кривая). По данным обсерватории ИНТЕГРАЛ энергия узкой линии равна 510.988 кэВ и совпадает с энергией покоя позитрона (или электрона) с точностью до сотой доли процента. Это позволяет утверждать что скорость движения среды, в которой происходит аннигиляция позитронов, относительно Земли не превышает 30 км/с. По ширине линии и относительной яркости трех-фотонного континуума было показано, что аннигиляция позитронов происходит в теплой (~10000 град) частично ионизованной межзвездной среде. Точность измерений, выполненных обсерваторией ИНТЕГРАЛ является рекордной на сегодняшний день. Эти измерения, в частности, накладывают ограничения на сечение аннигиляции частиц темной материи, а также на другие, менее экзотические теоретические модели образования позитронов в Галактике, включая рапад радиоактивных элементов при взрывах сверхновых, рождение позитронов вблизи черных дыр и быстро вращающихся нейтронных звезд или при взаимодействия космических лучей с обычным веществом.

 

Рисунок 2: Спектр аннигилационного излучения позитронов, измеренный обсерваторией ИНТЕГРАЛ из области Галактического центра. Красной линией показан профиль линии 511 кэВ, возникающий при двух-фотонной аннигиляции. Синей линией показан спектр трех-фотонного рапада позитрония.

 

-        Е.М.Чуразов, Р.А.Сюняев, С.Ю.Сазонов, М.Г.Ревнивцев, Д.А.Варшалович "Спектр аннигиляции позитронов из области центра Галактики по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ", MNRAS, 357, 1377, 2005

Эффекты спиральности в динамике пограничного слоя атмосферы.

 

Успешное развитие получило направление работ по исследованию зеркально-несимметричной турбулентности, начатое в ИКИ РАН в 80-е годы по инициативе С.С. Моисеева. С целью получения данных о природной спиральной турбулентности по инициативе ИКИ РАН и ИФА РАН им. А.М.Обухова впервые выполнены измерения турбулентной спиральности в пограничном слое атмосферы (проводились одновременные измерения всех трех компонент скорости и завихренности, а также температурных профилей). Анализ полученных данных, относящихся к пространственным масштабам 1-100 м, показал присутствие турбулентной спиральности в атмосферном пограничном слое на уровне 0.02 ¸ 0.03 м/с², и степенной наклон спектра спиральности близкий к значению '-5/3', что согласуется с известными теоретическими представлениями о каскадах спиральности.

Построена самосогласованная полуэмпирическая модель атмосферного пограничного слоя с учетом температурной стратификации и турбулентной спиральности, согласующаяся с полученными данными и проанализировано влияние турбулентной спиральности на изменение профилей крупномасштабной скорости, уменьшение угла поворота ветра и показывающая появление дополнительных аномальных поперечных потоков тепла и импульса на границе с приземным слоем.

В рамках построенной модели рассмотрено влияние фоновых сдвиговых конвергентных течений пограничного слоя на генерацию интенсивных вихрей. Обнаружено, что спиральность способствует интенсификации вихря и перераспределению вращательного момента - возбуждается азимутальная компонента завихренности, характерная для многих интенсивных вихрей, но обычно, не воспроизводимая в известных моделях.

-        О.Г. Чхетиани. Интенсификация завихренности в турбулентных течениях со спиральностью. - Известия РАН, Физика атмосферы и океана, т.41 (2), с.161-171, 2005.

-        В.М.Пономарев, О.Г. Чхетиани. Полуэмпирическая модель пограничного слоя атмосферы с параметризацией влияния турбулентной спиральности. - Известия РАН, Физика атмосферы и океана, т.41 (5), с.418-432, 2005.

-        Б.М.Копров, В.М.Копров, В.М.Пономарев, О.Г. Чхетиани. Измерение турбулентной спиральности и ее спектра в пограничном слое атмосферы. - ДАН, т.403 (5), с.627-630, 2005.