EN

История кафедры

Кафедра физики космоса ведет начало от кафедры космических лучей. Приказом И. В. Сталина первого февраля 1946 года были основаны НИФИ-2 и Отделение строения вещества физического факультета МГУ. Директором Института был назначен академик Дмитрий Владимирович Скобельцын, заведующим Отделением — академик Сергей Николаевич Вернов. Вскоре после этого, в 1947 году, на отделении был образован ряд кафедр, среди которых и кафедра космических лучей. Заведующим кафедрой стал С. Н. Вернов.

Первый выпуск физиков, специализирующихся в области космических лучей, состоялся в 1949 г. С тех пор кафедрой подготовлено более 700 физиков - космиков, значительная часть которых успешно работала и работает в научных лабораториях НИИЯФ МГУ и институтах Академии наук, стали кандидатами, докторами наук, профессорами, руководителями научных направлений.

К подготовке студентов на кафедре были привлечены крупнейшие специалисты по экспериментальной и теоретической ядерной физике. Научной базой подготовки стал НИФИ-2 (в будущем НИИЯФ МГУ). Учебной работой на кафедре (лекции, руководство студентами и аспирантами) непосредственно занимались академики С. Н. Вернов, Г. Т. Зацепин, А. Е. Чудаков, Г. Б. Христиансен, чл.-корреспонденты Д. А. Киржниц, С. И. Никольский, профессора А. И. Лебединский, А. А. Санин, И. В. Ракобольская, Л. И. Сарычева.

академик С. Н. Вернов (1910 – 1982)

Академик С. Н. Вернов возглавлял кафедру с 1947 г. до своей кончины в 1982 г., автор ряда фундаментальных исследований по космическим лучам и связанным с ними проблемам физики элементарных частиц, плазменных явлений, астрофизики и геофизики, один из основоположников изучения и освоения космического пространства с помощью искусственных спутников Земли. С помощью радиозондов С.Н.Вернов изучал состав космических лучей в стратосфере. Им было выяснено, что космическое излучение состоит в основном из протонов, а электронно-фотонная компонента имеет вторичное происхождение (Сталинская премия 1949г.) Академиками С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым было показано существование радиационных поясов Земли, исследованы их структуры и динамика, создана теория их происхождения (Ленинская премия 1960 г.). Дальнейшие исследования под руководством С. Н. Вернова позволили выяснить фундаментальные закономерности физики Солнца, межпланетной среды, магнитосферы и ионосферы Земли.

академик Г.Т. Зацепин (1917 – 2010)
профессор М.И. Панасюк (1945 – 2020)

Академик Г. Т. Зацепин возглавлял кафедру космических лучей и физики космоса в 1982—2005 гг. Являлся одним из ведущих ученых в области космических лучей и нейтрино, лауреат Государственной и Ленинской премий. Им были открыты электронно-ядерные ливни в космических лучах (1949 г.) и было показано, что частицами, генерирующими ливни, являются протоны и более тяжелые первичные ядра и основой развития атмосферного ливня является ядерно-каскадный процесс (1951 г.). Г. Т. Зацепин первым исследовал вопрос о происхождении ультрарелятивистских частиц через фотонный газ. Им разработаны новые методы регистрации нейтрино от Солнца и предложены эксперименты по детектированию нейтрино от коллапсирующих звезд.

В 2005 -2020 гг. заведующим кафедрой физики космоса был директор НИИЯФ МГУ профессор М. И. Панасюк. Под руководством М. И. Панасюка проводились исследования космической радиации, магнитосфер планет и космических лучей в ходе космических и наземных экспериментов. В результате были получены фундаментальные научные результаты: доказана возможность резонансного ускорения ионов в радиационных поясах Земли под действием квазипериодических флуктуаций магнитного поля, определена роли радиальной диффузии частиц радиационных поясов при воздействии флуктуаций электростатического и магнитных полей, была установлена роль ионосферного кислорода как основного компонента кольцевого тока, определяющего, наряду с протонами солнечной плазмы, энергетику геомагнитных бурь. Было открыто новое явление в околоземном пространстве — радиационный пояс, состоящий из частиц аномальных космических лучей, получены доказательства его связи с нейтральными частицами межзвездного газа. М. И. Панасюк инициировал и осуществил с сотрудниками кафедры физики космоса НИИЯФ МГУ многочисленные космические эксперименты на спутниках, которые легли в основу Программы космических исследований МГУ им. М. В. Ломоносова. Среди них: спутники "Татьяна-1" (2005) и "Татьяна-2" (2009), «Вернов», «Ломоносов», в которых были получены новые экспериментальные результаты по экстремальным явлениям в атмосфере Земли и во Вселенной:

профессор И.В. Ракобольская (1919-2016)

Особо необходимо отметить роль в развитии кафедры профессора Ирины Вячеславовны Ракобольской. Это легендарная женщина — замечательный ученый, преподаватель, общественный деятель. Во время Великой Отечественной войны была начальником штаба женского полка ночных бомбардировщиков. В 1968–2003 гг. профессор И. В. Ракобольская была заместителем заведующего кафедрой, под ее руководством заложены основы учебного процесса, который и поныне успешно реализуется на кафедре. В течение многих лет она читала на кафедре созданный ею фундаментальный курс «Введение в физику космических лучей», по которому учились и учатся многие поколения физиков-космиков. Также под руководством Ирины Вячеславовны был создан практикум по физике космических лучей в рамках специального ядерного практикума ОЯФ. Помимо большой преподавательской работе на отделении ядерной физики физического факультета Ирина Вячеславовна читала курс «Ядерная физика» для студентов – геофизиков геологического факультета. На основе этого курса был издан замечательный учебник. В течение многих лет Ирина Вячеславовна руководила факультетом повышения квалификации МГУ. Ирина Вячеславовна в прямом смысле была душой кафедры, создала ту добрую атмосферу нашего коллектива, благодаря которой удается реализовывать все необходимые задачи.

Научная история кафедры неразрывно связана с НИИЯФ МГУ, как основной базой научной подготовки студентов и проведения научно-исследовательских работ сотрудниками кафедры. Основным базовым научным отделом кафедры в настоящее время является отдел космических наук (ОКН) НИИЯФ МГУ. Экспериментальные работы проводятся как на спутниках, так и на наземных установках. ОКН проводит как фундаментальные исследования в области астрофизики космических лучей и космической физики, так и прикладные, направленные на исследования и моделирование воздействия космических факторов (плазмы, энергичных частиц и электромагнитных полей) на космические аппараты и биологические объекты.

Были получены следующие основные научные результаты:

·         Открыт ядерно-каскадный процесс в атмосфере Земли (Д. В. Скобельцын, Г. Т. Зацепин, Н. А. Добротин, 1929)

·         На установке ШАЛ МГУ обнаружен излом в спектре первичных космических лучей при энергии 3·1015 эВ (С. Н. Вернов, Г. Б. Христиансен, Г. А. Куликов, 1958)

·         Открыты и исследованы радиационные пояса Земли (С. Н. Вернов, А. Е. Чудаков, А. И. Лебединский, 1958)

·         Предсказано обрезание спектра космических лучей при энергиях выше 1020 эВ – эффект ГЗК (Г. Т. Зацепин, В. А. Кузьмин, 1966)

·         Создан новый прибор — ионизационный калориметр, позволяющий измерять энергию элементарных частиц с большой точностью, получивший распространение во всем мире (Н. Л. Григоров, В. С. Мурзин, 1954).

·         Проведены наблюдения явления выстроенности высокоэнергичных адронов в акте ядерного взаимодействия и экспериментально подтвержден эффект Ландау-Померанчука-Мигдала в эксперименте «Памир» (И. В. Ракобольская, И. П. Иваненко, Т. М. Роганова, Л. Г. Свешникова и сотрудники ФИАН, 1991).

·         Прямое наблюдение осцилляций мюонных нейтрино в таонные в рамках эксперимента OPERA (Т. М. Роганова, 2015)

·         Впервые осуществлена регистрация космических лучей сверхвысокой энергии по флуоресцентному треку с борта космического аппарата «Ломоносов» (М. И. Панасюк, П. А. Климов, и др., 2018)

·         Открыты новые транзиентные явления в атмосфере (Г. К. Гарипов, П. А. Климов, М. И. Панасюк, 2018)

·         В эксперименте на спутнике «Ломоносов» осуществлено измерение кривой блеска собственного излучения гамма-всплеска в оптическом и гамма-диапазонах (М. И. Панасюк, В. М. Липунов, С. И. Свертилов и др., 2018).

В последние годы вместе с кафедрой физики космоса НИИЯФ успешно реализует космическую программу Московского университета.

 

Курсы, читаемые на кафедре:

3 курс:

·         Космонавтика для космофизиков, С. А. Красоткин

·         Введение в физику космических лучей, С. И. Свертилов

4 курс:

·         Экспериментальные методы в физике космоса, С. И. Свертилов

·         Введение в космофизику, А. В. Прохоров, М. В. Подзолко

·         Взаимодействие частиц и излучений с веществом, А. М. Анохина

·         Электронные приборы для ядерной физики, С. И. Свертилов

·         Методы обработки физического эксперимента, В. И. Галкин

·         Основы гелиофизики, С. А. Красоткин

·         Задачи современной космонавтики, С. А. Красоткин

·         Введение в физику элементарных частиц, И. П. Лохтин

·         Космические лучи сверхвысоких энергий, Н. Н. Калмыков

·         Физика плазмы космического пространства, Е. Е. Антонова, И. А. Овчинников

1 курс магистратуры

·         Спецфизпрактикум кафедры "Моделирование физических процессов в физике Космоса", В. И. Галкин

·         Спецфизпрактикум кафедры "Моделирование эксперимента в физике Космоса", В. И. Галкин

·         Физика космоса, А. В. Прохоров, М. В. Подзолко

·         Радио-, рентгеновская и гамма-астрономия, А. М. Анохина

·         Фундаментальные взаимодействия и космические лучи, И. П. Лохтин

·         Ветвящиеся случайные процессы в физике космических лучей, Н. Н. Калмыков

·         Численные методы в физике космоса, В. И. Галкин

·         Астрофизика космических лучей, Д. А. Подгрудков

·         Физика космической плазмы в солнечной системе, Е. С. Беленькая

·         Экспериментальная космомикрофизика, Д. А. Подгрудков

·         Экспериментальные методы космофизики, С. И. Свертилов

·         Планирование и проведение космофизического эксперимента на орбите, В. В. Богомолов

·         Воздействие космической радиации на электронные приборы на борту космических аппаратов, А. М. Анохина

·         Космическая погода, В. В. Калегаев

2 курс магистратуры

·         Введение в современную космологию, А. Д. Панов

·         Слабое взаимодействие и физика нейтрино, К. В. Парфенов

·         Физика планетных магнитосфер и атмосфер, Е. С. Беленькая

·         Физика Солнца и солнечно-земных связей, С. А. Красоткин

·         Гидродинамика Солнца, А. В. Гетлинг

·         Ядерная астрофизика, С. И. Свертилов

·         Программирование микроконтроллеров для физических задач, А. В. Прохоров

·         Проблемы темной материи и экзотических частиц, Л. А. Кузьмичев

 

Научное направление I. Астрофизика космических лучей.

Лаборатория 1.1 (Лаборатория космического рентгеновского и гамма-излучения)

Заведующий: д.ф.-м.н. Анатолий Фёдорович Июдин, тел. 939-42-90, aiyudin@srd.sinp.msu.ru
Лаборатория космической рентгеновской и гамма-астрономии (ЛКРГА) образована в 2015 году на базе Лаборатории Экстремальной Вселенной. С момента образования ЛКРГА в составе Отдела Космических Наук и по настоящее время руководителем ЛКРГА является доктор физико-математических наук Анатолий Федорович Июдин.

В данное время в ЛКРГА ведутся приведенные ниже научные работы:

• разработка методики, моделирование и анализ возможности использования энергичных транзиентных (вспышечных) явлений в различных астрофизических объектах для изучения эволюции Вселенной в период повторной ионизации и позже.

• разработка рекомендаций для постановки экспериментов и собственно постановка экспериментов на различных космических аппаратах планируемых к реализации в программе фундаментальных космических исследований, а также в рамках Федеральной Космической Программы Российской Федерации на 2016-2025 гг. (программа «УниверСат») ;

• разработка детекторов рентгеновского и гамма-излучения с использованием новых типов сцинтилляторов и фотоприемников;

• исследование и практическая реализация возможностей получения новых данных о влиянии электронов ускоряемых в грозовых областях атмосферы Земли на образование волновых пакетов в ионосфере, на высыпания релятивистских электронов из радиационных поясов Земли, на частоту и характеристики атмосферных гамма-всплесков в зависимости от времени года, высоты и широты точки наблюдения этих явлений;

• разработка новых методов исследования эволюции остатков сверхновых и новых звезд.

Сотрудники ЛКРГА активно участвуют в работе международных коллабораций по подготовке сети нано-спутников для наблюдений космических гамма-всплесков образующихся при слиянии нейтронных звезд и черных дыр, для проверки на основе этих наблюдений фундаментальных законов.

Объекты исследования ЛКРГА: слева - гамма-всплеск в изображении художника; справа - гамма-всплеск сопровождающий взрыв массивной звезды на последних фазах её эволюции, как его представляет себе астрофизик Т.Тотани из университета Токио.

Лаборатория 1.2 (Лаборатория космических лучей предельно высоких энергий)

Заведующий: к.ф.-м.н. Павел Александрович Климов, pavel.klimov@gmail.com
Атмосфера Земли, магнитосфера, ближний и дальний космос образуют одну очень сложную систему, изучением которой занимается Лаборатория космических лучей предельно высоких энергий Отдела космических наук НИИЯФ МГУ. Основные направления научной работы лаборатории: 1) исследование частиц внегалактического происхождения с энергиями больше 0.5·1020 эВ (космических лучей предельно высоких энергий, КЛ ПВЭ) и 2) энергичных высоко атмосферных разрядных явлений (транзиентных атмосферных явлений, ТАЯ) с помощью экспериментов, проводимых на борту искусственных спутников Земли и Международной космической станции (МКС).
В рамках первой темы ведутся работы над проектированием и созданием орбитальных детекторов КЛ ПВЭ (проекты «ТУС», «КЛПВЭ», JEM-EUSO). Детектор «ТУС» уже находится на орбите в составе космического аппарата «Ломоносов», и в настоящее время идет анализ поступающей научной информации. Крупномасштабный эксперимент «КЛПВЭ» – широкоугольный многоканальный телескоп-рефлектор с числом каналов порядка 105 – включен в программу научных исследований на борту МКС, находится на стадии проектирования и создания макетов и прототипов. Эта работа происходит в тесном сотрудничестве с большой международной коллаборацией JEM-EUSO. Основная научная проблема – механизмы ускорения частиц до сверхвысоких энергий (1020 эВ и больше!) в нашей Вселенной.

По второму направлению сотрудники лаборатории занимаются анализом данных уже состоявшихся спутниковых экспериментов («Университетский-Татьяна», «Университетский-Татьяна-2», «Вернов»), а также работают над созданием новых космических детекторов и экспериментов (проект «УФ атмосфера» – широкоугольный линзовый телескоп на борту МКС). Ключевыми научными вопросами являются: механизмы происхождения и развития высоко атмосферных транзиентных оптических явлений, их связь с земными гамма-вспышками и пучками электронов и позитронов, взаимосвязь процессов в магнитосфере (высыпания частиц) и оптических явлений в атмосфере Земли, природа внегрозовых транзиентов. Сотрудники разрабатывают все элементы научной аппаратуры, включая оптические системы, электронику для обработки и записи быстрых сигналов, алгоритмы on-line и off-line обработки данных.
Узнать подробнее о лаборатории и ведущихся в ней проектах и научной работе, а также познакомиться с сотрудниками, их научными публикациями и темами курсовых работ можно на сайте http://uhecr.sinp.msu.ru

Лаборатория 1.3 (Лаборатория галактических космических лучей)

Заведующий: д.ф.-м.н. Дмитрий Михайлович Подорожный

Лаборатория 1.4 (Лаборатория наземной гамма-астрономии)

Заведующий: д.ф.-м.н. Кузьмичев Л.А. kuz@dec1.sinp.msu.ru
Научная тематика лаборатории – гамма-астрономия высоких энергий (выше 30 ТэВ) и происхождение космических лучей сверхвысоких энергий. Экспериментальная база лаборатории – Астрофизический комплекс МГУ-ИГУ, расположенный в Тункинской долине в 50 км от озера Байкал. В составе комплекса входит ряд установок для регистрации широких атмосферных ливней регистрации (ШАЛ) от космических лучей и гамма-квантов (рис.1):
Установка Тунка-133 – регистрация ШАЛ по черенковскому свету, площадь – 3 км2, энергетический порог 1015 эВ.
Установка TAIGA-HiSCORE-28 – регистрация ШАЛ по черенковскому свету, площадь 0.25 км2, энергетический порог 1014 эВ.
Установка Тунка-Grande – регистрация заряженных частиц ШАЛ (электроны, мюоны), площадь – 1 км2, энергетический порог 1016 эВ.
Тунка-REX – регистрация ШАЛ по радиоизлучению, 64 антенны на площади 3 км2.
TAIGA-IACT – атмосферный черенковский телескоп с а анализом изображения.

Ведутся работы по созданию гамма-обсерватории мирового уровня TAIGA (Tunka Advanced Instrument for cosmic rays and Gamma Astronomy).

Лаборатория 1.5 (Лаборатория теоретических и экспериментальных исследований взаимодействий и переноса излучения в различных средах)

Заведующий: д.ф.-м.н. Татьяна Михайловна Роганова, тел. 495-939-36-82, rogatm@yandex.ru
Основное направление работы лаборатории – теоретические и экспериментальные исследования взаимодействий и переноса излучений в различных средах. Это направление включает в себя создание детекторов излучения, получение и анализ экспериментальных данных экспериментов OPERA, СФЕРА, NEWs, SHIP и др., участниками которых являются сотрудники лаборатории, а также численное моделирование физических процессов в атмосфере Земли, астрофизических объектах и межгалактическом пространстве. Во время выполнения курсовой работы вы сможете познакомиться с современными экспериментами, подготовить обзор литературы по выбранной вами теме и научитесь работать с современной измерительной аппаратурой, которая используются нами при анализе экспериментальных данных. Студенты, участвующие в исследованиях нашей лаборатории, имеют возможность работать на современном автоматизированном комплексе по сканированию ядерных эмульсий, поехать в командировку в Италию для участия в международных экспериментах, подготовить выступления на конференциях, в том числе и на международных, и/или статьи для публикации в научных журналах.

1. Поиск частиц холодной темной материи (WIMP) c помощью наноэмульсий, Nano Imaging Tracker в эксперименте NEWSdm.

WIMP(Weakly Interacting Massive Particles ) – частицы, являющиеся кандидатами на роль частиц темной материи. Предполагается, что наша Галактика окружена гало WIMP, с диапазоном рассматриваемых масс 0.4 - 1000 ГэВ.

Рис.1 Схема экспериментальной установки NEWSdm в подземной лаборатории Gran Sasso.

Рис.2. Идея прямого детектирования WIMP основана на предположении о том, что Земля в процессе своего движения вместе с Солнечной системой “обдувается” ветром WIMP со средней скоростью около 220 км/сек, и WIMP будут упруго взаимодействовать с веществом детектора с образованием ядер отдачи, энергии и направления которых предполагается определять с помощью ядерных эмульсий, размер зерен в которых составляет 20 – 40 - 60 нм.
Рис. 3. В НИИЯФ имеются сканирующие микроскопы, которые можно использовать для сканирования ядерных эмульсий для различных физических задач.

2. Поиск частиц Легкой Темной Материи (Light Dark Matter, LDM) и частиц вне Стандартной Модели в ускорительных экспериментах SHiP и SND@LHC в CERN.

Рис.4 Схема эксперимента SHiP (Search for Hidden Particles) на кольце SPS . Пучок протонов с энергией 400ГэВ направляется на мишень из вольфрама и молибдена, где рождаются множество различных частиц, в том числе LDM.
Рис. 5. Регистрация частиц проводится в эмульсионном детекторе, с помощью которого треки частиц события восстанавливаются с микронной точностью.
Рис.6. Процессы, в результате которых могут рождаться частицы LDM.
Рис. 7 . Процессы взаимодействия частиц LDM с веществом детектора посредством смешивания т.н. «темного фотона» с фотоном Стандартной Модели. События, вызванные фоновыми тау-нейтрино и LDM в поле Энергия-Псевдобыстрота: найдены признаки, по которым можно выделить события, связанные с легкой темной материей.
Рис.8. Детектор эксперимента SND@LHC, основным элементом которого является эмульсионная камера. Предполагается регистрировать нейтрино и, возможно, частицы вне Стандартной Модели, которые являются продуктами взаимодействия протонных пучков в коллайдере LHC.

Научное направление II. Космическая физика».

Лаборатория 2.1 (Лаборатория магнитосфер планет)

Заведующий: - проф., д.ф.-м.н., Игорь Иванович Алексеев, 8(495)939-10-36, alexeev@dec1.sinp.msu.ru, ЛКВЭ, к. 311в
Основное направление работы лаборатории – теоретическое и численное моделирование физических процессов на Солнце, в гелиосфере, в магнитосферах планет солнечной системы и за ее пределами. Наш раздел физики космоса – космическая электродинамика, токовые слои и процессы пересоединения магнитных полей, ускорение космических лучей при различных взрывных процессах в космосе. Во время выполнения курсовой работы вы подготовите обзор литературы по выбранной вами теме и познакомитесь с одним из программных комплексов, которые используются нами в современных моделях. При наличии определенного усердия и удачи вы, совместно с сотрудниками ЛМП, подготовите материал для выступления на конференции и/или публикации в научном журнале.

Лаборатория 2.2 (Лаборатория космофизических исследований)

Заведующий: д.ф.-м.н. Владимир Владимирович Калегаев, тел. 939-19-15, klg@dec1.sinp.msu.ru.
Лаборатория занимается изучением физических процессов и явлений, происходящих, главным образом, на Солнце и в области космического пространства внутри орбиты Земли. Основные направления исследований ЛКФИ:

  • Механизмы формирования магнитных полей и течений в конвективной зоне Солнца
  • Закономерности формирования солнечных активных областей; солнечные вспышки и механизмы ускорения энергичных частиц; солнечные космические лучи;
  • Изучение свойств корональных источников межпланетной плазмы по данным рентгеновских и ВУФ наблюдений и их использование в моделировании солнечного ветра на околоземной орбите;
  • Галактические космические лучи;
  • Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли;
  • Структура и динамика магнитного поля, потоков плазмы и энергичных частиц в магнитосфере;
  • Геомагнитная возмущенность: магнитные бури и магнитосферные суббури;
  • Радиационные пояса Земли;
  • Оценка радиационных условий на борту космических аппаратов
  • Механизмы солнечно-земных связей: воздействие солнечной активности на околоземное космическое пространство;
  • Космическая погода;
  • Анализ спутниковых данных, прогнозирование физических условий в околоземном космическом пространстве.

Студенты, выполняющие курсовые работы в лаборатории, имеют возможность участвовать в грантах РФФИ и РНФ, в крупных международных и национальных научных проектах. В состав лаборатории входит группа, осуществляющая прием и обработку данных космических миссий Метеор-М, Электро-Л, Ломоносов. Студенты и сотрудники лаборатории имеют возможность участвовать в обработке и оперативном анализе спутниковых данных.

Лаборатория 2.3 (Лаборатория радиационного мониторинга)

Заведующий: к.ф.-м.н. Владислав Ильич Оседло

Лаборатория 2.4 (Лаборатория космического материаловедения)

заведующий: д.ф.-м.н. Лев Семёнович Новиков
Лаборатория создана в НИИЯФ МГУ в 1965 году, в настоящее время лабораторию возглавляет д.ф.-м.н., профессор, Лауреат Премии Правительства Российской Федерации Новиков Лев Симонович (+7 495 939-10- 07, novikov@sinp.msu.ru)

В лаборатории ведутся экспериментальные и расчетно-теоретические исследования по следующим основным направлениям:

  • радиационные воздействия на материалы и элементы оборудования космических аппаратов;
  • формирование объемного заряда в диэлектриках и электроразрядные явления;
  • электризация космических аппаратов в окружающей плазме;
  • разрушение материалов атомарным кислородом верхней атмосферы Земли;
  • моделирование высокоскоростных ударов частиц метеорной материи и космического мусора;
  • применение наноматериалов и нанотехнологий в космической технике;
  • изучение стойкости материалов к воздействию космической среды на борту орбитальных станций.

Сотрудниками лаборатории выполнены многочисленные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в интересах ведущих предприятий космической отрасли.