Исследователи применили сетевую теорию для решения начальной функции масс
AstroNews.ru - 08 Июня 2016 19:13:37
Ученые впервые использовали методы сетевой науки для решения фундаментальной астрофизической проблемы – так называемой начальной функции масс (НФМ), функции распределения звезд по массе в галактиках и звездных кластерах. Результаты исследования были опубликованы в последнем номере The Astrophysical Journal.
Аспирант Мичиганского университета Андрей Клишин под руководством Игоря Чилингаряна Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга при МГУ и Смитсоновской астрофизической обсерватории применил методы сетевой науки для решения 60-летней астрономической проблемы. «Данные методы ранее были применены в различных исследовательских областях – от социологии и информатики до молекулярной биологии, но никогда ранее в астрономии» – объясняет Игорь Чилингарян.
НФМ описывает относительные долевые распределения звезд различной массы в звездных системах или галактиках. В 1955 физик-теоретик и астрофизик Эдвин Солпитер первым вывел этот распределительный закон эмпирически, используя подсчет ближайших к нам звезд (известный сейчас как функция масс Солпитера). Он показал, что распределение звезд по массе есть степенная функция с показателем степени -2.35, т.е. количество звезд массой 10 масс Солнца в 102,35 = 220 раз меньше, чем звезд массы Солнца.
Знание того, как звезды в галактиках или звездных кластерах распределены по массе, чрезвычайно важно для астрономов. Звездная система сродни большой семье, в которой все члены регулярно взаимодействуют. Они разграничивают свое «личное пространство» по определенному принципу и по тому же принципу реагируют на внешнее воздействие. Чтобы лучше понять, как члены этой семьи влияют на развитие друг друга, астрономы должны знать, из каких типов звезд семья состоит – т.е. знать количество звезд каждой «весовой категории» в системе.
Игорь Чилингарян и Андрей Клишин описали систему протозвезд, которые развиваются за счет поглощения газа из межзвездной среды как пространственная сеть растет по принципу привилегированного добавления: узел сети создает новые связи тем быстрее, чем больше у него на данный момент связей. В межзвездной среде связями являются гравитационные силы, действующие между плотными ядрами молекулярных облаков, которые позже сформируются в звезды. «Мы показали, что степенное распределение в НФМ возникает независимо от изначального распределения масс протозвезд, если плотность распределения в межзвездном облаке фрактальное. Это фрактальное распределение прямо следует из классической теории турбулентности, разработанной советским математиком Андреем Колмогоровым. Мы встречаемся с фрактальными или самоподобными предметами каждый день. Среди них облака атмосферы Земли, снежинки, а также некоторые фрукты и овощи, такие как цветная капуста или брокколи», – говорит Игорь Чилингарян.
В рамках этой простой модели ученые теоретически объяснили форму НФМ всего 8-ю уравнениями, не требующими включения каких-либо неподтверждённых допущений или дополнительных свободных параметров множества существующих теорий звездообразования. Игорь Чилингарян делает особый акцент на том, что все существующие НФМ-теории были разработаны с использованием классического астрофизического подхода и предоставил длинные статьи, включающие целые страницы вычислений и сотни формул.
«Игорь предложил мне присоединиться к проекту после нашей с ним встречи в Бостоне, когда я упомянул о своей заинтересованности в статистической физике, – говорит Андрей Клишин. – Это область физики, имеющая дело с системами, состоящими из огромного числа частиц, характеристики которых перестают иметь значение. Мы знаем что точно такой же показатель степени функции масс Солпитера -2.35 был получен при анализе множества звездных кластеров различных возрастов, металличностей и масс. Это предполагает, что данная величина не зависит от локальных свойств конкретного кластера, но выводится из некоторого общего принципа. Вот почему когда мы вводим принцип привилегированного добавления в нашей работе, мы ссылаемся на труды в сетевой науке, библиометрии, биологическом видообразовании. Во всех этих системах статистические свойства оказываются схожими».
Сетевая наука это современная область исследований, разработанная в течение последних 15-20 лет. Как следует из названия, она изучает свойства сетей как математических объектов вне зависимости от конкретной системы, описанной как сеть. Сетевая теория может, к примеру, описать электрораспределительную сеть как сумму электростанций, нагрузки и линий электропередач; она также описывает взаимодействия групп белков живого организма, связи пользователей социальных сетей или вообще весь Интернет, или взаимодействие ученых в научном сотрудничестве.
«Это работа первая в своем роде, она формирует базу для нового междисциплинарного подхода в астрофизике. Мы планируем и далее разрабатывать это семейство методов и использовать их для изучения широкого спектра астрофизических явлений в таких направлениях исследования как звездообразование и наблюдательная космология. Так например, данные методы будут применены в исследовании макроструктуры распределения вещества во вселенной», – резюмирует Игорь Чилингарян.