Магнетарлардың құпиясын зерттеу: әл-Фараби атындағы ҚазҰУ ғалымдарының вакуумдық қос сәулеленуді сандық зерттеуі

Қазіргі заманғы астрофизика мен теориялық физикада вакуум табиғатын түсіну – ғылымдағы ең күрделі әрі маңызды мәселелердің бірі. Әдетте вакуум бос кеңістік ретінде қарастырылғанымен, заманауи физика теориялары оның күрделі қасиеттерге ие екенін көрсетеді. Өте күшті магнит өрістерінде вакуум өзін ерекше орта сияқты ұстап, электромагниттік толқындардың таралуын өзгертеді. Мұндай құбылыстардың бірі – вакуумдық қос сәулелену (вакуумное двулучепреломление), яғни жарықтың немесе электромагниттік толқындардың екі түрлі поляризациялық бағытта таралуы.

Осы құбылысты зерттеу мақсатында әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің ғалымдары магнетарлардың магнит өрістеріндегі вакуумдық қос сәулеленуді сандық тұрғыдан зерттеуге бағытталған ғылыми жобаны жүзеге асыруда. Жоба аясында ғалымдар вакуумдағы бейсызық электродинамика мен жалпы салыстырмалылық теориясының негізінде электромагниттік толқындардың күшті магнит өрістерінде таралу заңдылықтарын талдайды. Бұл зерттеулер қазіргі теориялық физиканың маңызды болжамдарын тексеруге мүмкіндік береді және ғаламдағы ең күшті магнит өрістеріне ие объектілердің табиғатын тереңірек түсінуге жол ашады.

Магнетарлар – нейтрон жұлдыздарының ерекше түрі. Олар ғаламдағы ең күшті магнит өрістеріне ие объектілердің қатарына жатады. Мұндай жұлдыздардың магнит өрісі шамамен 1014–101510^{14}–10^{15}1014–1015 гауссқа дейін жетуі мүмкін. Салыстыру үшін айтсақ, Жердің магнит өрісі небәрі бірнеше ондаған микротесла шамасында ғана. Осындай экстремалды жағдайларда вакуумның өзі бейсызық қасиеттер көрсете бастайды. Нәтижесінде жарық сәулелері әртүрлі бағытта поляризацияланып, олардың таралу жылдамдығы мен бағыты өзгеруі мүмкін.

Жердегі зертханаларда мұндай күшті магнит өрістерін жасау мүмкін емес. Сондықтан ғалымдар вакуумдағы бейсызық электродинамикалық құбылыстарды зерттеу үшін табиғи «ғарыштық зертханалар» ретінде магнетарларды пайдаланады. Магнетарлардың айналасындағы кеңістікте жарықтың таралуы ерекше сипатқа ие болуы мүмкін, ал бұл құбылыстарды тіркеу қазіргі физиканың маңызды теориялық болжамдарын тексеруге мүмкіндік береді.

Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінде жүргізіліп жатқан бұл ғылыми жоба дәл осы мәселені сандық модельдеу арқылы зерттеуге бағытталған. Зерттеу барысында электромагниттік толқындардың магнетарлардың магнитосферасы арқылы өтуі, сондай-ақ олардың дипольдық және квадрупольдық магнит өрістерінде таралу ерекшеліктері қарастырылады. Сонымен қатар зерттеулерде кеңістік-уақыттың қисықтығы да ескеріледі, өйткені магнетарлар өте тығыз әрі ауыр объектілер болғандықтан, олардың гравитациялық өрісі кеңістіктің геометриясына айтарлықтай әсер етеді.

Жоба жетекшісі – физика-математика ғылымдарының докторы М.Е. Әбішев. Зерттеу тобына Қазақстандағы бейсызық электродинамика саласында жұмыс істейтін ғалымдармен қатар, релятивистік астрофизика және космология бағытында зерттеу жүргізетін жас зерттеушілер де қатысуда. Ғылыми топтың құрамына теориялық физиктер, астрофизиктер және компьютерлік модельдеу саласының мамандары кірген. Мұндай пәнаралық тәсіл күрделі физикалық процестерді жан-жақты зерттеуге мүмкіндік береді.

Зерттеудің негізгі мақсаты – магнетарлардың магнит өрісінен өткен электромагниттік толқындарда вакуумдық қос сәулелену құбылысының қалай пайда болатынын анықтау және осындай эффектілерді бақылауға болатын нақты магнетар кандидаттарын анықтау. Бұл үшін ғалымдар бірқатар сандық есептеулер мен модельдеулер жүргізеді.

Жоба аясында алдымен магнетарлардың гравитациялық өрісін сипаттайтын Эйнштейн теңдеулері сандық әдістермен шешіледі. Бұл есептеулерде магнетардың айналуы, магнит өрісінің құрылымы және оның квадрупольдық параметрлері ескеріледі. Нәтижесінде магнетар айналасындағы кеңістік-уақыттың тиімді метрикалары анықталады. Кейін осы метрикалар негізінде электромагниттік толқындардың таралу траекториялары есептеледі.

Зерттеулердің келесі кезеңінде электромагниттік сәуленің дипольдық және квадрупольдық магнит өрістерінде таралуы қарастырылады. Бұл процестерді сипаттау үшін бейсызық вакуумдық электродинамика теңдеулері пайдаланылады. Мұндай есептеулер нәтижесінде жарық сәулесінің екі түрлі поляризациялық модаларға бөлінуі, олардың таралу бағыттарының өзгеруі және сигналдардың уақыт бойынша кешігуі сияқты құбылыстар зерттеледі.

Жобаны жүзеге асыру барысында математикалық талдау, сандық есептеу және дифференциалдық геометрия әдістері кеңінен қолданылады. Ғалымдар арнайы компьютерлік бағдарламалар жасап, оларды жоғары өнімді есептеу жүйелерінде іске асырады. Бұл бағдарламалар C++ және Python тілдерінде жазылып, Einstein Toolkit ғылыми платформасы негізінде құрылады.

Einstein Toolkit – салыстырмалылық теориясына негізделген күрделі астрофизикалық процестерді модельдеуге арналған ашық ғылыми платформа. Ол параллель есептеулерді қолдайды және MPI мен OpenMP технологиялары арқылы суперкомпьютерлерде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Осы мүмкіндіктердің арқасында зерттеушілер магнетарлардың магнитосферасындағы күрделі физикалық процестерді жоғары дәлдікпен модельдей алады.

Жобадағы есептеулер әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің жоғары өнімді есептеу ресурстарын пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Бұл зерттеулер магнетарлардың айналасындағы кеңістік-уақыт геометриясын және электромагниттік сәуленің таралу заңдылықтарын егжей-тегжейлі талдауға мүмкіндік береді.

Зерттеудің маңызды бағыттарының бірі – нақты астрофизикалық бақылаулармен салыстыру жүргізу. Соңғы жылдары ғарыштық телескоптар арқылы магнетарлардың рентгендік сәулеленуінің поляризациясын өлшеуге мүмкіндік беретін жаңа деректер алынуда. Соның ішінде IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer) телескопының мәліметтері ерекше қызығушылық тудырады.

Бұл телескоп рентген диапазонында сәулеленудің поляризациясын өлшеуге арналған алғашқы миссиялардың бірі болып табылады. Оның деректері вакуумдағы бейсызық электродинамикалық эффектілерді зерттеуге жаңа мүмкіндік берді. Сондықтан жоба аясында алынған сандық нәтижелер IXPE телескопының бақылау деректерімен салыстырылып, нақты магнетар объектілері үшін поляризация профильдері талданады.

Зерттеу нәтижесінде магнетарлардың магнит өрісі арқылы өткен электромагниттік сәулелердің поляризациясының графиктері мен профильдері алынуы күтіледі. Бұл нәтижелер магнетарлардың параметрлеріне – магнит өрісінің күші мен конфигурациясына, айналу жылдамдығына және кеңістік-уақыт геометриясына – қалай тәуелді екенін көрсетуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар магнетарлардың қайсысы вакуумдық қос сәулелену эффектілерін бақылауға ең қолайлы объектілер екенін анықтауға мүмкіндік туады.

Жоба нәтижелері халықаралық ғылыми қауымдастық үшін де маңызды болмақ. Зерттеу барысында алынған нәтижелер жетекші ғылыми журналдарда жарияланып, халықаралық конференцияларда ұсынылады деп жоспарлануда. Бұл Қазақстандағы теориялық физика мен астрофизика саласындағы зерттеулердің халықаралық деңгейдегі көрінуін арттыруға ықпал етеді.

Ғылыми нәтижелердің тағы бір маңызды қыры – жас зерттеушілерді даярлау. Жоба барысында магистранттар мен докторанттар ғылыми зерттеулерге белсенді қатысып, күрделі есептеу әдістерін меңгереді. Жобаның қорытындысы бойынша кемінде бір PhD дәрежесін қорғау жоспарланып отыр.

Мұндай зерттеулер Қазақстандағы ғылыми кадрлардың дамуына және жаңа буын теориялық физиктерді даярлауға үлкен үлес қосады. Сонымен қатар алынған нәтижелер магистратура мен докторантура бағдарламаларындағы арнайы курстарда қолданылуы мүмкін.

Практикалық тұрғыдан алғанда, жобаның нәтижелері жоғары өнімді есептеулер мен сандық модельдеу әдістерін дамытуға ықпал етеді. Мұндай әдістер тек астрофизикада ғана емес, сонымен қатар күрделі физикалық жүйелерді зерттейтін көптеген ғылыми бағыттарда қолданылуы мүмкін.

Жалпы алғанда, магнетарлардың магнит өрістеріндегі вакуумдық қос сәулеленуді зерттеу қазіргі заманғы теориялық физиканың маңызды мәселелерінің бірі болып табылады. Әл-Фараби атындағы Қазақ ұлттық университетінің ғалымдары жүргізіп жатқан бұл жоба вакуумның бейсызық қасиеттерін түсінуге, нейтрон жұлдыздарының физикасын тереңірек зерттеуге және ғаламдағы ең экстремалды физикалық жағдайларды сипаттауға бағытталған.

Осындай зерттеулер арқылы Қазақстандық ғалымдар халықаралық ғылыми қауымдастықтағы өз үлесін арттырып, ғаламның фундаменталдық заңдарын түсінуге бағытталған жаһандық ғылыми ізденістерге қатысуда.