Андрей Клишин (выпускник Массачусетского технологического института 2015 года, в настоящее время аспирант Мичиганского университета) под руководством Игоря Чилингаряна (научный сотрудник Московского государственного университета им. Штернберга и Смитсоновской астрофизической обсерватории) применил методы сетевой науки для решения фундаментальной астрономической задачи.
Проблема, стоящая на протяжении 60 лет, — происхождение функции начальной массы звезды. «Такие методы использовались в различных областях исследований, от социологии и информатики до молекулярной биологии, но никогда раньше в астрофизике», — говорит Игорь Чилингарян.Функция начальной массы звезд — это функция, которая описывает относительные доли звезд с разной массой в звездной системе или соотношение больших и малых звезд в галактиках.
В 1955 году физик-теоретик и астрофизик Эдвин Солпитер был первым, кто эмпирически вывел этот закон распределения в окрестностях Солнца, используя количество звезд (в настоящее время известное как «функция начальных масс Солпетера»). Он продемонстрировал, что распределение звезд по массе имеет форму степенного закона с показателем -2,35, то есть звезды в 10 раз массивнее нашего Солнца102,35 = 220 раз реже, чем звезды солнечного типа.Знание того, как именно звезды в галактике или звездном скоплении распределены по массе, имеет решающее значение для астрономов. Звездная система похожа на большую семью, где все члены взаимодействуют друг с другом.
Они определенным образом очерчивают «жизненное пространство» и реагируют на внешнее воздействие по одним и тем же физическим законам. Чтобы лучше понять, как члены этого «семейства» влияют на эволюцию друг друга, астрономам необходимо знать, из каких типов звезд состоит «семейство», т. Е. Иметь данные о том, сколько звезд каждой массы находится в система.
Игорь Чилингарян и Андрей Клишин описали систему протозвезд, которые эволюционируют, поглощая газ из диффузной межзвездной среды, как пространственную сеть, растущую по принципу преимущественного присоединения: узел, имеющий множество связей, создает новые связи еще быстрее. В межзвездной среде связи — это гравитационные силы, действующие между плотными ядрами молекул, которые позже сформируют звезды. «Мы продемонстрировали, что степенной закон, которому следует функция начальной массы звезды, формируется независимо от начального распределения масс протозвезд, если распределение плотности в межзвездном облаке является фрактальным.
Это фрактальное распределение напрямую следует из классической теории турбулентности, разработанной Советский математик Андрей Колмогоров. Мы ежедневно сталкиваемся с фрактальными или самоподобными объектами. Среди прочего, облака в атмосфере Земли, снежинки и даже некоторые фрукты и овощи, такие как цветная капуста или брокколи, обладают фрактальными свойствами », — комментирует Игорь Чилингарян.
В рамках этой простой модели ученым удалось теоретически объяснить форму начальной функции массы звезды с помощью всего восьми уравнений, которые не делали никаких необоснованных предположений или дополнительных свободных параметров, необходимых для многих существующих теорий звездообразования. Игорь Чилингарян подчеркивает, что все существующие исходные теории функции масс были разработаны с использованием «классического астрофизического подхода» и представлены в виде длинных статей, содержащих десятки страниц расчетов и сотни формул.«Игорь пригласил меня поработать над этим проектом после того, как мы встретились в Бостоне, когда я упомянул свои интересы к статистической физике», — говорит Андрей Клишин. «Эта область физики имеет дело с аспектами систем из большого числа частиц, где конкретные детали, касающиеся отдельных частиц, становятся неважными. Мы знаем, что один и тот же показатель степенного закона Солпитера, равный -2,35, был измерен во многих звездных скоплениях разного возраста, металличности и общая масса.
Это говорит о том, что значение определяется не некоторыми локальными свойствами конкретного кластера, а скорее каким-то более общим принципом. Вот почему, когда мы вводим принцип предпочтительного присоединения в нашей статье, мы ссылаемся на работы в области сетевой науки, библиометрия, биологическое видообразование. Во всех этих очень разных системах статистические свойства оказываются очень похожими ».Сетевая наука — это современное направление исследований, активно развивающееся в последние 15-20 лет.
Как следует из названия, он изучает свойства сетей как математических объектов, независимо от конкретной системы, интерпретируемой как сеть. Теорию сети можно использовать для описания энергосистемы как совокупности электростанций, нагрузок и линий передачи; взаимодействие множества белков в живом организме, связи пользователей в социальной сети, такой как Facebook или даже во всемирной паутине, или общение в рамках научного сотрудничества. Игорь Чилингарян и Андрей Клишин первыми применили методы сетевой науки для решения фундаментальной астрофизической проблемы.«Эта работа является первой в своем роде, и она создает основу для нового междисциплинарного подхода в астрофизике.
Мы планируем и дальше развивать это семейство методов и использовать их для изучения широкого спектра астрофизических явлений в аспектах звездообразования и в наблюдательной космологии. такие как исследование крупномасштабной структуры распределения материи во Вселенной », — заключает Игорь Чилингарян.