Сайт СФУ
Сибирский форум. Интеллектуальный диалог
декабрь / 2018 г.

Дотянуться до звёзд

Обычному человеку это может показаться очень странным — изучать экзопланеты, то есть планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы. Зачем? До самой ближайшей — Проксима Центавра b — лететь минимум четыре световых года. Непостижимо! Есть и такие экзопланеты, до которых свет доберётся только за несколько десятков тысяч световых лет. Про скорость наших космических аппаратов и говорить не приходится. Тогда почему в мире в последние годы так оживился интерес учёных к этому направлению?

Изучением далёких «обитателей» Вселенной занимается и красноярец, доктор физико-математических наук профессор кафедры прикладной механики СФУ Николай Васильевич ЕРКАЕВ. Мы встретились на второй день после возвращения учёного из очередной командировки в Австрию.

Законы эволюции

— Николай Васильевич, хотелось бы понять — чем так заворожили вас и ваших коллег экзопланеты? Как ни крути, нам до них никогда не добраться…

СПРАВКА

Н.В. Еркаев родился 23 марта 1952 года. Под его началом защитились пять кандидатов наук в России и один доктор естественных наук в Австрийском университете им. Карла-Франца в г. Грац, Австрия. Общее количество международных публикаций профессора — 200. Общее количество научных публикаций — 225.

Свободное время проводит на даче. Из литературных предпочтений — научно-фантастический роман «Марсианские хроники» Рэя БРЕДБЕРИ.

— Во-первых, изучение этих небесных тел позволяет понять наше прошлое. Дело в том, что мы получаем информацию, которая была выпущена давно — планеты ведь находятся на разных стадиях формирования, какие-то из них молодые, а какие-то постарше. По ним можно понять, как наша Земля формировалась, проверить некоторые гипотезы, не строя домыслов, а используя исключительно факты. Реально просчитать и наше будущее. Например, какие-то планеты в других звёздных системах уже постарше нашей, и есть возможность посмотреть на их состояние и сделать выводы, что нас ждёт. Можно узнать законы изменения светимости звёзд — как они преображаются во времени, а значит, как вело себя наше светило в прошлом и как может повести в будущем.

Изучая экзопланеты, учёные не забывают и про нашу Солнечную систему — много новых исследований посвящено эволюции Марса и Венеры.

Трое в лодке

С Институтом космических исследований Австрийской академии наук, расположенным в городе Грац, профессор Еркаев тесно сотрудничает уже более двадцати лет.

— Первый мой визит в Австрию состоялся ещё в 1989 году, во времена СССР, — вспоминает Николай Васильевич. — Затем в 1991 году меня пригласили на большой симпозиум в Вену, где и завязались рабочие контакты в области физики магнитосферы. Моя часть исследований включала математическое моделирование, а коллеги предоставляли экспериментальные спутниковые данные. Сформировалась дружная международная группа из трёх человек: меня и профессоров Хелфрида БИРНАТА (Австрия) и Чарльза ФАРРУДЖИА (США). Сначала мы выполняли совместные исследования на тему взаимодействия солнечного ветра с Землёй и другими планетами, изучали явления на Солнце, возникновение вспышек и т.д. Чарльз работал в NASA, своё дело он знал в совершенстве. Здесь своя специфика — нужно многое держать в голове. Такие уникальные специалисты по экспериментальным спутниковым данным всегда в курсе, где и когда тот или иной спутник находится, какой прибор на нём работает надёжно, а где был сбой, каким сведениям можно верить, а каким нельзя и т.д. Эта ценная информация нигде не публикуется, а передаётся, можно сказать, из уст в уста, и только общаясь всё будешь знать. Когда Чарльз приезжал, он привозил нам свежие экспериментальные спутниковые данные, которые предстояло понять и объяснить.

— А с чем приезжали вы?

— С математическими уравнениями! Тогда ещё мы не имели столь мощных компьютеров, как сегодня. Вместо них — модели с низкой производительностью, без операционной системы Windows: тёмный экран на мониторе и гибкие диски, на которых невозможно хранить большой объём информации. А задачи надо было решать. Помню, приезжаешь, и время счёта занимает всю ночь. Поспишь часок и дальше смотришь, как идёт процесс и что получается.

Вскоре у нас пошли первые совместные статьи. До этого я вообще не публиковался в иностранных журналах и не умел писать по-английски. Но рядом со мной виртуозно работал Чарльз! Он на лету ловил каждое моё слово и тут же записывал. Постепенно, глядя, как ловко он это делает, я тоже научился обходиться без русского подстрочника и стал не только писать, но и думать по-английски.

Магнитный барьер

— Наша группа работала довольно долго. Собирались мы, как правило, два раза в год на три-четыре недели в городе Грац и много чего полезного успели сделать, — продолжает профессор. — Например, вы когда-нибудь слышали о таком эффекте, как магнитный барьер? Когда в 1991 году американцы стали анализировать данные о Венере, они с удивлением обнаружили вблизи неё очень сильное магнитное окружение. Откуда оно взялось возле планеты с невероятно слабой магнитной подушкой? Оказалось, из межпланетного магнитного поля. Солнечный ветер его с собой принёс и, обтекая планету, это поле усилил. Выявленный нашей группой эффект был назван магнитным барьером, а ранее его природа была совершенно неизвестна.

— И как вам удалось совершить такое открытие?

— Магнитный барьер мы получили, моделируя обтекание ветром магнитосферы Земли. Обратили внимание на то, что процессы происходят схожие. Оказалось, что это явление универсальное и работает везде, где есть солнечный ветер. Экзопланеты обдуваются ветром, который берёт начало от звёзд. Каждый ветер приносит магнитное поле от своей звезды, а когда на пути возникает препятствие, то вблизи него магнитное поле претерпевает значительное усиление, образуя магнитный барьер. Мы предложили математическую модель этого явления и его описание. Было опубликовано много работ, в которых с этой позиции мы объясняли экспериментальные данные при обтекании ветром Земли, Венеры, Марса, Сатурна и т.д. Наша задача состояла не только в том, чтобы обнаружить какое-то явление, но ещё и объяснить сообществу его суть.

Убегающая атмосфера

— Николай Васильевич, какое значение имеет магнитный барьер для планеты?

— Он играет защитную роль. Скажем, магнитное поле Земли защищает её от непосредственного контакта с солнечным ветром. Палеонтологи выяснили, что когда-то в давние времена поле меняло знак, и был период, когда оно вообще было очень слабым. В этот период Земля оставалась беззащитной, а потом поле опять усилилось. Это хорошая «броня» — всякие заряженные частицы (кроме нейтральных) и космические лучи не могут через неё проникнуть.

Кстати, явление интересно ещё и тем, что эволюция самой планеты и её атмосферы связана с магнитным барьером. Солнечный ветер может эту атмосферу обдирать, то есть, обтекая, уносить атмосферные частицы вместе с собой. Почему ещё атмосфера убегает? Потому что от звезды приходит очень сильное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. Оно начинает поглощаться, греть — и атмосфера постепенно улетучивается. Возникают попутно очень сложные явления — химические реакции, ионизации и прочее. Всё это в плане математического описания — непростая задача.

Как видите, процессы в атмосфере экзопланет происходят сложные, поэтому наука, их изучающая, мультидисциплинарная. Она на стыке многих наук — математики, физики, химии и т.д. В современный космический телескоп видно водородную атмосферу, и многое уже можно узнать про такие планеты.

— Например?

— Поток водорода из атмосферы небесного тела — это голубоватое свечение, напоминающее то корону, то шлейф… Его несложно измерить. По этой короне можно судить о том, с какой интенсивностью планета теряет атмосферу и, возможно, сделать прогноз о её будущем: станет она потенциально обитаемой или нет.

Как раз по экзопланетам я моделировал «убегание» атмосферы. Рассчитывал, как быстро планета может её потерять. Правда, единицы измерения применительно к экзопланетам — миллионы лет, мегагоды… Сейчас компьютерная техника очень сильно совершенствуется, однако все вышеупомянутые вещи — уже на пределе вычислительных возможностей.

В настоящее время вместе с коллегами из австрийского Института космических исследований, где моим ключевым научным партнёром является профессор Гельмут ЛАММЕР, а также Института Астрономии университета Вены готовим к публикации в международном рецензируемом журнале «Astronomy and Astrophysics» статью на тему взаимодействия атмосферы со звёздным ветром и возможностей наблюдения возникающих при этом эффектов. Соавторами будущей публикации являются и красноярцы — мой аспирант Виктор ИВАНОВ и кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной механики Политехнического института СФУ Александр МЕЗЕНЦЕВ (первый, кто защитил под моим началом кандидатскую диссертацию).

Есть ли жизнь на Глизе?

— Человечество всегда интересовал вопрос: есть ли жизнь на далёких планетах?

— Попробую объяснить, начиная от самых истоков — с протопланетного облака — первопричины любой планеты. В этом облаке начинают образовываться зародыши. Они растут и притягивают водород. Образуется первичная водородная атмосфера, в которой невозможна жизнь.

Чтобы стать пригодной для жизни, планета должна удалить первичную протоатмосферу водорода, полученную из туманностей. После чего сформировать и поддерживать достаточную вторичную атмосферу — азотно-кислородную. Многие из подобных Земле планет в «обитаемой зоне» сформировались достаточно рано, чтобы иметь значительную водородную оболочку. Сохранение протоатмосферы в течение сотен миллионов лет обуславливает формирование вторичной атмосферы, необходимой для появления жизни на планете.

Среди 3,5 тысяч экзопланет кандидатов в обитаемые можно по пальцам перечесть. И ещё не гарантия, что они обитаемые — просто по размерам подходят, по радиусу и температуре. В реальности там может и не быть жизни. Никто вообще ничего не гарантирует — для зарождения жизни важно наличие океана.

Большинство обнаруженных экзопланет находятся очень далеко от нас, поэтому NASA приняло космическую программу TESS — «Transiting Exoplanet Survey Satellite» («Транзитный спутник экзопланетной съёмки»), которая направлена на поиск тех экзопланет, которые расположены относительно близко к Земле. Эта миссия начата в 2017-2018 годах. Главная задача — открытие обитаемых миров вблизи самых ярких звёзд, которые находятся очень близко к нашей Солнечной системе.

— Николай Васильевич, насколько точно можно сегодня зондировать «организм» экзопланет?

— Аппаратура высокого разрешения и вычислительные методики дают нам большие возможности. Также используются методы фотометрии и спектроскопии.

Основа методики проста и понятна даже школьнику: планета вращается вокруг звезды и периодически частично заслоняет идущий от неё свет. Мы видим, что вдруг возникает пятнышко, которое перемещается и периодически повторяется. Это явление фиксируется. По затенённости и по ослаблению потока можно судить о размерах этой планеты, а по
периоду вращения — о расстоянии.

К примеру, чем быстрее планета вращается, тем она ближе. Постепенно информация обрастает дополнительными фактами, и можно, рассчитав расстояние от звезды, даже температуру оценить. Чем ближе к звезде, тем температура выше.

Секреты «кухни»

— Сейчас в учёном мире наблюдается всплеск интереса к экзопланетам — эта тематика хорошо финансируется в Европе и в Америке. В Германии центр тяжести тоже начинает смещаться в эту сторону, — сообщает Н.В. Еркаев.

— А в России?

— В нашей стране активно работают в данном направлении коллеги из Института космических исследований РАН (Москва), Санкт-Петербургского университета (кафедра физики Земли), Института лазерной физики СО РАН в Новосибирске, Института вычислительного моделирования СО РАН в Красноярске, а восточнее к этой теме особого интереса уже не проявляют.

Кстати, в австрийском Институте космических исследований большая часть сотрудников не австрийцы, а японцы, китайцы, англичане, французы, россияне, украинцы. Все трудоустроены по контрактам. Когда институт в Граце только создавался, там были постоянные ставки. Людям, которых принимали на работу, обеспечивали пожизненную занятость. Теперь же, когда «последние из могикан» уходят на пенсию, постоянные ставки убирают, а вводят срочные контракты не более чем на три-шесть лет. Руководство научного института инициирует ротацию кадров, чтобы учёные не засиживались на одном месте. Молодые люди, защитив диссертации, работают шесть лет и уезжают в другие города и страны. После того как они обрастут новыми контактами и знаниями, могут вернуться обратно.

Поощряет руководство института и участие в международных конференциях. Раз в год каждый сотрудник обязан где-нибудь поучаствовать и выступить с докладом. Сейчас в институте идут выборы нового директора. Прежнему руководителю (он из Германии) уже исполнилось 65 лет, а у них строгая система — с наступлением этого возраста человек обязан уступить свою должность другому, более молодому. Однако после выхода на пенсию ветеран будет получать 80% от своей зарплаты, ему выдадут большое выходное разовое пособие, а если пожелает — оставят рабочий кабинет в стенах института, чтобы он мог заниматься со студентами, руководить их дипломной работой или писать монографию.

— Какие требования предъявляют к кандидату на должность директора?

— Это должен быть учёный с опытом организационной работы, достаточно известный, с высоким индексом Хирша. Кандидатуру предпенсионного возраста даже рассматривать не будут. Самый благоприятный возрастной интервал — от 40 до 50 лет. Сейчас в списке три претендента, и все трое специализируются на исследовании экзопланет. Естественно, каждый захочет иметь свой коллектив, и однозначно упор будет сделан на эту тематику.

«Потомок» Годунова

— Николай Васильевич, а почему вы стали учёным — влияние родителей?

— Что вы! Мама у меня всю жизнь работала медсестрой, а отец авиационным техником. Он воевал, имел награды и умер в 46 лет, потому что на фронте застудил лёгкие. Мне же с детства всегда нравилось всё новое, интересное, где нет рутины. Очень любил физику, поэтому и поступил на физический факультет Новосибирского государственного университета.

На третьем курсе надо было выбрать специальность, и я остановился на радиофизическом направлении. А всё потому, что ещё со школы увлекался конструированием разных радиоустройств. Когда перешёл в эту группу, оказалось, что там надо знать физику плазмы. Вскоре меня позвали в другой коллектив, который занимался влиянием Солнца на магнитосферу Земли при Академии наук СО РАН, где я работал в лаборатории академика Сергея Константиновича ГОДУНОВА, занимавшегося задачами газодинамики, математическими методами моделирования. В зарубежном учёном мире не так много россиян, на труды которых постоянно ссылаются. Имя Годунова хорошо там известно. Сейчас, когда говорю своим коллегам: мне Годунов читал лекции — они не верят, потому что это человек-легенда в науке. Студенты его боялись как огня. Когда он принимал экзамен — отодвигал всё написанное тобой в сторонку и просто беседовал. Бывало, кого-то выгонял, кидал вслед зачётку. Поэтому все стремились попасть на экзамен не к академику, а к его ассистентам.

— Вы сдавали экзамен Годунову?

— Сдавал. Зачётку он мне вслед не кидал. Более того, после распределения, когда я уже работал в его лаборатории, академик очень помогал мне ценными советами. Сейчас Сергею Константиновичу уже почти 90 лет, и он активно занимается научными исследованиями. В числе моих бывших преподавателей также известные физики-теоретики, академики РАН Владимир ЗАХАРОВ и Дмитрий РЮТОВ — оба сейчас работают в США.

— У вас ведь тоже была возможность остаться за рубежом?

— С иностранными коллегами я и так мог взаимодействовать — в 90-е годы у нас был российско-австрийский договор о безвалютном обмене. Я много раз бывал в Австрии и США, и члены нашей рабочей группы неоднократно приезжали в Красноярск по линии Российской академии наук. И сейчас я свободно перемещаюсь, а постоянно живу в родной языковой среде, в стране и в городе, где чувствую себя комфортнее.

ТИТАНический труд

— Какими «неземными» темами займётесь в ближайшей перспективе?

— Моё направление исследований неисчерпаемо: атмосфера экзопланет, её поведение, формирование вторичного состава атмосферы. Скоро думаю приступить к изучению атмосферы Титана — спутника Сатурна. Там главный компонент атмосферы — азот. Интересно смоделировать сложный её состав, понять, как эта атмосфера будет формироваться и вести себя. Уже возникает необходимость учёта разных реакций, в том числе химических, и много интересных задач предстоит решить.

— И напоследок: Николай Васильевич, нашей планете ничего не угрожает?

— Катастрофических вещей не предвидится, единственное — могут быть угрозы столкновений с достаточно крупными небесными телами. А все взаимодействия с солнечным ветром — процессы относительно медленные и долговременные. К тому же у Земли есть магнитное поле, и последствия взаимодействия с солнечным ветром мы не почувствуем!

Наталья КУЗНЕЦОВА