Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В ходе выполнения этапа 2017 года была проделана следующая работа и получены следующие результаты: Выполнен обзор наиболее важных аспектов исследований происхождения и химико-динамической эволюции комет как свидетелей образования и ранней эволюции Солнечной системы, в частности по наблюдениям в ультрафиолетовом диапазоне. Поскольку кометы образовались на ранних стадиях эволюции протопланетного диска, для построения теории происхождения и эволюции комет (и Солнечной системы) необходимо провести важный этап исследования химической и динамической структуры протопланетных дисков с различными структурными характеристиками – массой, размером, типом центральной звезды и др. Одним из наиболее важных параметров протопланетных дисков является их масса. Именно от неё зависит архитектура формирующейся планетной системы. В прошлом именно распределение массы по протосолнечной туманности определило состав Солнечной системы. Масса протопланетного диска — это, по сути, масса входящих в его состав молекулярного водорода и гелия, однако оба этих компонента ненаблюдаемы. Существует два способа оценки масс астрофизических объектов по косвенным данным: по тепловому излучению пыли и по наблюдениям молекулярных линий. Однако в протопланетных дисках первый способ может давать ошибочные результаты, так как формирование планет даже на самой ранней стадии подразумевает существенное изменение свойств ансамбля пылинок, что делает традиционные методы неприменимыми. Поэтому в последнее время для оценки массы дисков широко применяются наблюдения линий молекул оксида углерода. При этом предполагается, что содержание этой молекулы в дисках такое же, как в молекулярных облаках. Наши исследования показали, что это предположение может быть глубоко ошибочным. Реальное содержание оксида углерода в дисках может быть существенно ниже, чем в молекулярных облаках, за счёт эффекта химической деплиции (истощения). Суть этого эффекта состоит в следующем. Молекула CO сама по себе достаточно летуча и потому в большей части объёма протопланетного (в частности, протосолнечного) диска может находиться в газовой фазе, переходя преимущественно в состав твёрдой фракции лишь в наиболее плотных и холодных участках диска. Однако незначительное количество молекул CO, оказывающееся на поверхностях пылинок в более тёплых участках диска, вовлекается в поверхностные химические процессы и преобразуется в менее летучие соединения, в первую очередь, в молекулы диоксида углерода. Эти соединения эффективно накапливаются на поверхностях пылинок, в результате чего газофазное содержание CO оказывается низким даже в тех областях диска, где температура пылинок превышает температуру сублимации этой молекулы. Тем не менее, по сравнению с другими молекулами, CO продолжает оставаться лучшим индикатором массы газа в диске при условии, что в интерпретации наблюдений учитывается эффект химической деплиции. Нами был выявлен ряд других соединений, которые можно использовать для уточнения массы диска, однако их применение, как правило, требует дополнительной информации о структуре диска, как минимум, о его размере. Наше исследование химической структуры протопланетных дисков не ограничивалось молекулами-индикаторами массы. Мы рассмотрели и другие соединения, в частности, определили доминантные ионы в различных областях диска, что важно для начальной коагуляции заряженных частиц пыли, входящих в состав кометных ядер. Для изучения эволюции ансамбля комет Солнечной системы необходимо прежде всего понять главные динамические процессы в ранней Солнечной системе. К таким процессам относится процесс миграции внешних планет в планетезимальных дисках. Мы выполнили исследование, основанное на оригинальном методе симплектического интегрирования, позволяющем рассмотреть гравитационное взаимодействие планет и большого числа планетезималей в течение длительных промежутков времени. Показано, что, как правило, наиболее удаленная планета мигрирует в планетезимальном диске во внешнюю область при наличии внутренних планет. Найдено, что в достаточно протяженных массивных дисках планеты-гиганты могут достигать очень больших расстояний, вплоть до внешней границы диска. Обнаружены большие различия в поведении мигрирующих планет с большой массой (порядка массы Нептуна) и малой массой (порядка массы Земли). Для относительно малых планет типичным является изменение направления миграции вблизи внешней границы диска. Мы исследовали особенности процессов образования населения пояса Койпера и получили оценки потока планетезималей во внутреннюю область, возникающего при миграции планеты с массой порядка массы Земли в планетезимальном диске. Составлен список основных химических компонентов, наблюдавшихся в комах комет. Получен диапазон значений их относительных обилий. Проанализированы возможные причины большого разброса данных для ряда компонентов. Рассмотрены космогонические следствия из полученных значений химического и изотопного состава компонентов кометных ком. Начата разработка термической модели кометных ядер. Она предназначена для описания процесса распространения солнечного тепла в субповерхностных слоях ядер с учетом топологической формы поверхности ядер, их положение на орбите, суточного вращения, а также смены сезонов на отдельных его участках. Проведены тестовые расчеты. Подготовлена общая схема алгоритма восстановления химико-физических свойств комет из анализа спектров комет. Алгоритм предполагает использование разработанных нами ранее программных комплексов URANIA и NATALY для моделирования переноса излучения в протопланетных дисках и других газопылевых объектах. Начат анализ спектров экзокомет, которые наблюдались нами в рамках данного проекта. Построен аппаратно расширенный в УФ-область канал (кудэ-эшелле спектрограф ТУФЭС) спектрографа МАЭСТРО телескопа Цейсс-2000, установленного на обсерватории пика Терскол (ТФ ИНАСАН). Проведены калибровки спектрографа, получены первые спектры и выполнен анализ спектрограмм. В отчетный период (вторая половина 2017 г.) достаточно ярких комет, доступных для наблюдения с помощью ТУФЭС, не было. Начата подготовка к массовому наблюдению экзокомет (кометных проявлений в других планетных системах). Проведены первые наблюдения двух молодых систем – 2 Andromedae и HD21620, показывающих признаки экзокометной активности. Наблюдения проведены на телескопе Цейсс-2000 Терскольской обсерватории. Выработаны рекомендации по выбору фильтров для каналов дальнего и ближнего ультрафиолета камеры поля проекта «Спектр-УФ» для наблюдений комет. На основе математической модели комплекса научной аппаратуры космической обсерватории «Спектр-УФ» изучены возможности и проработаны рекомендации по оптимизации спектрографа СДЩ (канала с длинной щелью).

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проведено согласованное моделирование коагуляции заряженных частиц, ионизационной структуры протопланетных дисков и эволюции зоны подавленной турбулентности (т. н. мертвой зоны). Показано, что как нефрактальные пылинки в мертвой зоне, так и фрактальные пылинки почти во всем объеме диска находятся под действием сильного электростатического барьера, существенно ограничивающего рост пыли до макроскопических размеров. Проанализирована связь пылинок в протопланетном диске со структурой примитивных метеоритов, в которых макроскопические хондры погружены в мелкозернистую матрицу. Показано, что области, в которых состав льдов соответствует составу комет Солнечной системы, находится на расстоянии порядка 100 а.е. от Солнца. Это указывает как на возможность происхождения комет на больших удалениях от Солнца, так и на необходимость учета динамики тел Солнечной системы. Модифицирована модель тепловой эволюции газопылевого диска вокруг молодой звезды. С помощью этой модели рассчитана реакция газопылевого диска на вспышку звезды. Оценены характерные времена нагрева и охлаждения пыли при вспышке светимости для различных положений в диске. Усовершенствована методика моделирования процесса миграции планет на поздних этапах формирования планетных систем. Применение этой методики позволило рассмотреть динамику образования транснептуновой области и облака Оорта с учетом процесса миграции внешних планет. С одной стороны, миграция планеты с массой порядка массы Земли в планетезимальном диске объясняет основные особенности структуры пояса Койпера, в частности существование “горячего” населения. С другой стороны, качественные особенности структуры облака Оорта слабо зависят от распределения объектов во внешней части Солнечной системы, формируемого в процессе миграции внешних планет, и определяются главным образом длительным процессом действия планетных, звездных и галактических возмущений. Показано, что существование кентавров с большими наклонами орбит естественно объясняется их происхождением из облака Оорта. Продолжена работа по усовершенствованию термической модели кометных ядер, результаты которой необходимы для интерпретации экспериментальных данных по составу кометных ком. В рамках подготовки к восстановлению химико-физических свойств комет по анализу спектров подготовлен программный код для моделирования тепловой структуры и спектральных проявлений газопылевого сгустка, освещенного Солнцем. Получено семь спектров низкого разрешения кометы 64P/Swift--Gehrels и необходимый набор дополнительных данных. На спектрах видны характерные кометные компоненты (CN, C3, C2, O1), по которым можно качественно оценить эволюцию кометы на подлете и при пролете перигелия. В результате выполнения продолжающейся программы наблюдений молодых А-звезд (начатой на предыдущем этапе) в 2018 году получено 29 спектров звезды HD110411 и по 7 спектров звезд 2 And и HD21620. Собран массив спектральных данных, пригодный для исследования кометной активности у исследуемых звезд на основании статистического анализа профилей линии CaII K. Экспресс-анализ данных показал наличие (экзо)кометной активности в некоторые даты наблюдений. Артефакты на профиле линии СаII К, связанные с экзокометной активностью, носят нерегулярный характер, появляются и существуют на временах от десятков минут до нескольких суток. Разработана методика восстановления параметров орбит экзокомет по деталям на профилях линий поглощения. Методика использована для восстановления орбит кометных тел в системе Бета Живописца. Сделан вывод о широком спектре параметров возможных орбит, что противоречит распространенному мнению о том, что орбиты экзокомет близки к параболическим. Изготовлен макетный образец спектрографа низкого разрешения и высокой проницающей силы для 2-м телескопа Цейсс-2000 с расширенным в ультрафиолетовую область диапазоном. Спектрограф собран и готов к проведению тестовых наблюдений. Выполнен полный аналитический обзор фотометрических и спектроскопических инструментов космических обсерваторий, с помощью которых производилось изучение комет в УФ-диапазоне. Подготовлены рекомендации для повышения эффективности научных инструментов на борту космической обсерватории "Спектр-УФ" и уточнения циклограмм наблюдений комет "Спектр-УФ", которые будут учтены на этапе эскизного проектирования Блока Камер Поля. Подготовлены заявки в базовую научную программу проекта "Спектр-УФ", направленные на исследования комет: "UV spectroscopy of star-grazing comets" и "Detection of cometary swarms around young stars". Заявки включены в предварительную программу космической обсерватории "Спектр-УФ".

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
С помощью астрохимического моделирования получены теоретические распределения различных молекул по протопланетному диску. С их помощью рассчитаны соотношения между количеством углерода и кислорода отдельно в газовой фазе и в составе ледяных мантий на поверхности пылинок. Сравнение рассчитанных соотношений с наблюдаемыми в протопланетных дисках, атмосферах экзопланет и кометах Солнечной системы позволяет выделить области протосолнечного диска, близкие по составу к этим объектам. Установлено, что существенные отклонения от среднего значения возникают в основном во внутренних областях диска (примерно 20 а.е.) и ассоциированы с линиями вымерзания воды и углекислого газа, а также с химическими процессами в газовой фазе и на поверхности пылинок. Показано, как меняется соотношение углерода к кислороду при различных вариантах структуры протопланетного диска. Изучены особенности динамической эволюции комет для дискообразной и изотропной моделей первоначального распределения комет в Солнечной системе (Fouchard, Emel’yanenko, Higuchi, 2020, in press). Показано, что выявление той модели, которая наиболее соответствует наблюдениям, лучше всего проводить на основе анализа орбит долгопериодических комет при прохождения перигелия, предшествующего наблюдаемому появлению. В частности, продемонстрирована эффективность рассмотрения наклона орбиты к эклиптике и долготы восходящего узла по отношению к галактической плоскости. Найдены классы комет, орбиты которых испытывают малые изменения в течение времени существования Солнечной системы. Поэтому такие объекты могут сохранять информацию о первоначальной форме облака Оорта. На основе анализа орбит этих комет сделан вывод, что дискообразная модель более соответствует наблюдениям, чем изотропная модель. Показано, что есть также основания для рассмотрения альтернативных моделей формирования облака Оорта. В 2019 г. были продолжены работы по расширению и усовершенствованию электронной базы данных комет. Сформулированы дополнительные критерии формализации для описания экспериментальных данных по химическому и изотопному составу ком комет различных динамических типов, необходимых для объяснения возможных причин огромного (2 порядка величины и более) разброса этих данных. В соответствии с планом работ проведены два сета новых спектральных наблюдений избранных молодых А-звезд. Новые данные дополнили ряд наблюдений начатых в 2017 году и позволили применить упрощенную методику обнаружения экзокометной активности, которая протестирована на данных для звезды HD110411. Опробованная методика позволила обнаружить одно событие, которое мы интерпретируем как проявление экзокометной активности. Предложенный нами метод, сейчас применяется для анализа ряда спектральных данных для звезд 2 And и HD21620 полученных в 2017, 2018, 2019 годах. В рамках работ по подготовке и проведению экспериментальных исследований изготовлен и протестирован образец спектрографа низкого разрешения и высокой проницающей силы для 2-м телескопа Цейсс-2000 с расширенным в ультрафиолетовую область спектральным диапазоном от 3000A до 7500-8000A. В качестве прототипа прибора выбран спектрограф UltraViolet EXplorer (UVEX), построенный по схеме Черни--Тернера. Для привязки регистрируемых спектров к шкале длин волн и получения калибровочных кадров плоского поля в спектрографе предусмотрен блок калибровки изображения. Созданный инструмент предназначен для регистрации спектров широкого класса объектов с разрешением R ≈ 200 − 1000 в условиях высокогорной обсерватории на пике Терскол. Обеспечена функциональная совместимость с телескопами Zeiss-2000, Zeiss-1000 и Zeiss-600 при установке в Кассегреновском фокусе с эффективным фокальным отношением до f/5. Проведены тестовые наблюдения, позволившие подтвердить заявленные характеристики спектрографа. Предполагается, что изготовленный спектрограф в дальнейшем будет принят как штатный инструмент УНУ «Телескоп Цейсс-2000»".Применение такого спектрографа на телескопе Цейсс-2000 высокогорной обсерватории на пике Терскол является перспективным направлением работ для обсерватории и позволит осуществлять связь между программами наземных наблюдений и наблюдений на обсерватории “Спектр-УФ”. В рамках работ по подготовке научной программы наблюдений космического телескопа “Спектр-УФ” была проанализирована статистика частоты применения фильтров на космическом телескопе им. Хаббла за всё время его работы. Она была использована для формирования конкретного перечня фильтров для Блока Камер Поля (БКП) проекта "Спектр-УФ".Для выбранного набора фильтров был разработан калькулятор экспозиций для двух каналов БКП (ближний и дальний УФ). Калькулятор экспозиций был применён для моделирования получения изображений комет с выбранным набором фильтров для наблюдения в отдельных эмиссионных линиях. Была показана возможность получения, как отдельных изображений, так и картирования комет с высоким уровнем S/N при коротких экспозициях. В рамках эскизного проектирования Блока Камер Поля проекта “Спектр-УФ” были построены примеры циклограмм работы для каналов дальнего и ближнего ультрафиолета.