Имена в истории науки

Праздник звездной динамики

Логотип конференции В августе этого года тихие зеленые кварталы петродворцового комплекса огласились звуками английской речи. Среди кое-где облупившихся учебных корпусов можно было встретить улыбающихся респектабельных иностранцев и граждан СНГ. Что же их привлекло сюда?

С 21 по 27 августа состоялась международная конференция “Звездная динамика: от классической к современной”. Она была посвящена вековому юбилею профессора Кирилла Федоровича Огородникова (1900—1985) — известного астронома, основателя петербургской-ленинградской школы звездной астрономии.

Жизнь, посвященная науке

К.Ф.Огородников
К.Ф.Огородников. Фото 1941 г.
К.Ф.Огородников прожил долгую, трудную и интересную жизнь, в которой было место и науке, и гражданскому подвигу, и любви. Кирилл Федорович родился 30 июля 1900 г. в Павловске в семье потомственного военного. Его отец, Федор Евлампиевич Огородников, был генерал-майором, профессором Академии Генерального штаба. После революции он перешел на сторону большевиков и был назначен военным руководителем Беломорского военного округа. В Красную Армию вступил и выпускник кадетского корпуса К.Ф.Огородников. Затем был Московский университет, физико-математический факультет которого способный студент окончил за два года, к 1923 г. Еще студентом Кирилл Федорович начал работать в Государственном астрофизическом институте и продолжал оставаться сотрудником института, получившего название Государственного астрономического института им.Штернберга. Выполненные им в это время исследования по звездной кинематике выдвинули К.Ф.Огородникова в число ведущих советских астрономов.

В 1929 г. К.Ф.Огородников представил в Институт математики и механики Московского университета “заключительную дипломную работу” (соответствующую нынешней кандидатской диссертации) “О принципе элементарных ошибок”. Наркомпрос РСФСР выдал ему свидетельство №10 “О достаточной подготовленности для преподавания в высших учебных заведениях и ведения научно-исследовательских работ в научных учреждениях”. В 1931 г. Государственным Ученым Советом К.Ф.Огородников был утвержден в ученом звании профессора астрономии и геодезии, а в 1936 г. президиумом Академии наук — в степени доктора физико-математических наук без защиты диссертации.

В 1934 г. новый директор Пулковской обсерватории Б.П.Герасимович пригласил Огородникова в Пулково. Там прошел страшный 1937 г., когда Обсерватория потеряла большинство своих ведущих сотрудников. В 1938—40 гг. К.Ф.Огородников работал в Военно-транспортной академии, а в 1940 г. перешел на должность профессора кафедры астрофизики Ленинградского университета. С тех пор и до конца жизни К.Ф.Огородников работал профессором Ленинградского университета. В 1940—50 гг. он занимал пост директора Астрономической обсерватории университета, в 1942—46 гг. был заведующим кафедрой общей математики, а в 1944—63 гг. возглавлял созданную им кафедру звездной астрономии.

Когда грянула Великая Отечественная война, профессор оставил свои научные занятия и в июле 1941 г. записался добровольцем в отряд Народного ополчения, а затем попал на фронт бойцом 109-й стрелковой дивизии. Он считал, что долг ученого — прежде всего, защита Отечества. Осенью 1941 г. он выступил по ленинградскому радио по-русски и по-английски с обращением к прогрессивным ученым всего мира. Вскоре К.Ф.Огородникова направили в отдел по работе среди войск противника. Трижды в неделю на передовой линии он читал по-немецки тексты листовок. В начале 1942 г. во время очередной передачи капитан Огородников был контужен.

После госпиталя и демобилизации К.Ф.Огородникова направили в Саратов руководить эвакуированным факультетом математики и механики ЛГУ. К.Ф.Огородников занимался также и возвращением факультета в Ленинград. Деканом факультета он оставался до 1948 г. Таким образом, он возглавлял факультет в самые тяжелые годы его существования.

Наряду с учебно-организационной Кирилл Федорович развил бурную научно-издательскую деятельность. В 1932—35 гг. он работал главным редактором “Астрономического журнала”, а с 1953 г. он был главным редактором реферативного журнала “Астрономия”. Немало внимания и сил он уделял любителям астрономии. В течение всей своей деятельности он публиковал увлекательные научно-популярные книжки. В 1934—41 гг. и 1974—75 гг. К.Ф.Огородников был председателем ленинградского отделения Всесоюзного астрономо-геодезического общества, он избирался в состав Центрального совета общества и был его почетным членом. В 1931—72 гг. К.Ф.Огородников входил в состав Астрономического комитета Наркомпроса и сменившего его Астрономического совета АН СССР. В 1960—72 гг. он был председателем рабочей группы “Динамика и кинематика звездных систем” Комиссии звездной астрономии Астросовета.

Основные научные работы К.Ф.Огородникова относятся к кинематике и динамике звездных систем (об этом ниже), а также к истории астрономии. Наука была, по его собственным словам, опорой, помогавшей переносить тяготы жизни, оставаться несгибаемым оптимистом.

К.Ф.Огородников
К.Ф.Огородников. Фото 1970-х гг.
Кирилл Федорович был замечательный человек, добродетельный семьянин. Он полюбил Киру Сергеевну, из рода Кульневых (Яков Петрович Кульнев — герой войны 1812 г.), и в 1924 г. они поженились. У них было двое детей: сын Сергей Кириллович стал доктором химических наук, дочь Наталья Кирилловна Неуймина работает в редакции журнала “Звезда”. Кроме радостей, семья невольно принесла Кириллу Федоровичу два тяжких удара. В 1977 г. скончалась нежно любимая жена, а в 1985 г. неожиданно, после неудачной операции, ушел из жизни сын. Уже тяжело больной, отец не мог поехать на похороны и все твердил: “Это я, старый пень, должен был умереть”. От последнего удара он уже не оправился и скончался 29 июня 1985 г. Его похоронили в Комарово.

Кирилл Федорович имел твердый характер (как сказала Наталья Кирилловна, он сделал себя сам), разносторонние интересы, любил классическую музыку, играл на фортепиано, читал наизусть многое из Пушкина, отличался остроумием (говаривал: “Тише будешь — дальше едешь”). Он очень внимательно и чутко относился к коллегам, помогал своим ученикам в жизненных передрягах, но был строг и неумолим в научном плане. Если кто-то ошибался, то Кирилл Федорович деликатно (чаще наедине) указывал на промахи и подсказывал, как их исправить. Наряду с громадным вкладом в науку это позволило ему создать и развить в Ленинграде научную школу звездной кинематики и динамики. Его многочисленные ученики продолжают сейчас дело своего учителя в Санкт-Петербурге, других городах России, ближнего и дальнего зарубежья. В числе его бывших аспирантов — семь докторов наук.

Деятельность К.Ф.Огородникова была отмечена в правительственных кругах. Он был награжден орденами Октябрьской революции, Трудового Красного знамени, медалями. В 1968 г. ему было присвоено почетное звание “Заслуженный деятель науки РСФСР”.

Борьба движения с тяготением

Что же представляют собой кинематика и динамика звездных систем? Не претендуя на научную строгость, можно сказать, что звездные системы (к ним относятся рассеянные и шаровые скопления звезд, галактики и скопления галактик) существуют, с одной стороны, благодаря тяготению (вспомним закон всемирного тяготения), а с другой стороны, благодаря движению элементов системы. При отсутствии движения системы схлопывались бы к своему центру. Если бы прекратилось действие притяжения, системы разлетелись бы во все стороны.

Движение звезд в системе можно сравнивать с движением людей в толпе, например, на Дворцовой площади, с той существенной разницей, что расстояния между звездами в десятки тысяч — миллионы раз больше их размеров. Выделяя ограниченную область, очень малую по сравнению с объемом всей системы, можно вычислять среднюю скорость входящих в нее объектов. Такую величину К.Ф.Огородников назвал скоростью центроида. Она характеризует систематическое движение системы (ср. со скоростью входящей на площадь колонны). Сюда относится скорость вращения галактик. Отклонения индивидуальных скоростей от скорости центроида приводят к понятию дисперсии скоростей, являющемуся мерой случайного движения (ср. со слоняющимися туда-сюда любителями пива). К.Ф.Огородников показал, что более плотные области галактик можно описывать как непрерывную среду с дифференцируемой скоростью центроида.

Звездная динамика изучает строение и движение звездных систем под действием гравитационных и отчасти магнитных сил. В некоторых случаях учитываются силы механического и светового давления. Задачи звездной динамики сложны и многообразны. Желающие ознакомиться с этой наукой могут обратиться к монографии К.Ф.Огородникова “Динамика звездных систем”. Вышедшая в 1958 г. и переведенная в 1965 г. на английский язык, она стала настольной книгой астрономов разных стран мира. Читателя будут рады проконсультировать на созданной в этом году кафедре космических технологий и прикладной астродинамики факультета прикладной математики — процессов управления. С основателем этого факультета членом-корреспондентом РАН В.И.Зубовым (1930—2000) К.Ф.Огородников поддерживал дружеские отношения.

Участники конференции
Участники конференции в перерыве между заседаниями.

Лучший памятник

Далеко за пределами России известен семинар Огородникова по звездной динамике, продолжающий работать по сей день и носящий теперь имя своего основателя. Продолжая труды Кирилла Федоровича и поддерживая память о нем, ученики решили отметить его столетний юбилей. Уже в 1998 г. были созданы научный и местный оргкомитеты, и работа пошла. Почетным председателем научного оргкомитета согласился стать профессор Т.А.Агекян, в руководство вошли профессора Кристофер Хантер (C.Hunter) из Флоридского университета и С.А.Кутузов, а также доцент Л.П.Осипков. В комитете были представлены десять стран — Россия, США, Великобритания, Франция, Бельгия, Нидерланды, Швейцария, Греция, Австралия и Узбекистан. Местным оргкомитетом руководили Н.П.Питьев и В.В.Орлов. По совету иностранных коллег, мы попытались включить конференцию в состав симпозиумов Международного астрономического союза с соответствующим финансированием и представили необходимые бумаги, но, увы, нам отказали, не удосужившись объяснить причину. Хорошо, что хоть родной РФФИ оказал нам скромную помощь. Директор Астрономического института им.В.В.Соболева (принимающая организация) В.В.Витязев с месткомом сколотили дружную бригаду. Наконец, утомительные хлопоты по приведению в порядок помещений (включая наши печально известные туалеты), демонстрационного оборудования, заказу номеров в убогой университетской гостинице и питания в университетской столовой (известной под названием “Мавзолей”), по встрече участников в аэропорту и на вокзале, публикации сборника тезисов и составлению программы остались позади. И конференция состоялась!

Д.Линден-Белл демонстрирует отсутствие равновесия в системе
Д.Линден-Белл демонстрирует отсутствие равновесия в системе.
Участие 71 ученого из 15 стран явилось заслуженной данью уважения к огромному вкладу К.Ф.Огородникова в динамику звездных систем. Основополагающие труды К.Ф.Огородникова содержат построение общих кинематической и динамической моделей дифференциального поля скоростей центроидов, теории галактического вращения и иррегулярных сил, динамическую модель Местной системы, оригинальные методы построения самосогласованных моделей галактик, исследование фигур равновесия галактик и многие другие вопросы, не потерявшие своего значения до наших дней. На конференцию прибыли мировые светила науки. Упомянем здесь Д.Линден-Белла (Великобритания), Г.Контопулоса (Греция) и К.Хантера (США). Было сделано 16 обзорных, 33 устных и 38 стендовых докладов. Ряд докладов служит продолжением заложенных К.Ф.Огородниковым направлений. Большим международным авторитетом пользуется петербургская школа звездной динамики, возглавляемая профессором Т.А.Агекяном. В этом году Американское астрономическое общество присудило (впервые российскому ученому) почетную премию Брауэра главному научному сотруднику ГАО РАН В.А.Антонову — бывшему аспиранту К.Ф.Огородникова. Диплом о присуждении премии профессор К.Хантер вручил В.А.Антонову на открытии конференции.

Конференция открылась приветственным словом проректора СПбГУ по науке В.Н.Трояна. С подробным докладом о научной деятельности К.Ф.Огородникова выступил Л.П.Осипков. Н.К.Неуймина увлекательно рассказала о семье Огородниковых и об отце. Мемориальная сессия завершилась концертом камерной музыки.

Затем состоялись четыре пленарных заседания (по одному в день) и четыре секционных (по два во второй и четвертый дни). Не стану утомлять читателя аналитическим обзором (таковой направлен с отчетом РФФИ). Перечислю некоторые интересные вопросы.

Звездная динамика основывается на наблюдательных данных. Здесь наиболее острой является проблема темной материи в Галактике. До сих пор неясно, какие же объекты составляют эту таинственную материю, излучение которой не наблюдается. Признаком ее существования служит лишь ее гравитационное воздействие на наблюдаемые небесные тела и на проходящие вблизи нее электромагнитные лучи (микролинзирование). К.Флинн рассказал, что в последние годы исключены следующие барионные кандидаты в составляющие темной материи: коричневые, красные и (менее уверенно) белые карлики. Проблема темной материи связана с задачей определения для галактик такой важной динамической характеристики, как масса. А.В.Засов посвятил свой обзор определению масс звездных дисков (сплюснутых компонентов галактик) по кинематическим данным. Здесь решающую роль имеет знание кривой вращения галактики — чем быстрее галактика вращается, тем больше ее масса.

В структуре галактик большой интерес представляют спиральные ветви. А.Д.Чернин продемонстрировал полигональную структуру спиральных ветвей в большой выборке галактик. Она выражается в том, что спиральные ветви хорошо аппроксимируются ломаными. Чернин выдвинул гипотезу, что пылевые и газовые полосы вызваны сжатием от ударной волны с локально плоским фронтом.

С развитием компьютеров уже около трех десятилетий интенсивно проводятся недоступные ранее объемные вычисления по моделированию гравитирующих систем. Один из пионеров проведения численных экспериментов с гравитирующими системами Р.Миллер сделал обзор по вычислительному подходу к звездной динамике. Вычислительные эксперименты по корректно составленным программам для N тел играют в звездной динамике такую же роль, как лабораторные эксперименты в физике. В самом деле, ученый может задать любую интересующую его начальную конфигурацию системы и проследить ее последующую эволюцию. Это создает иллюзию всемогущества человека, так как в действительности вся история земной цивилизации представляет лишь ничтожный миг по сравнению с продолжительностью существования звездных систем. Вычислительные эксперименты дали ряд важных открытий, которые служат предметом теоретических исследований. Отправной точкой являются эксперименты с малым числом тел. Большой вклад в исследование этой задачи внесли сотрудники СПбГУ — Т.А.Агекян, Ж.П.Аносова, В.В.Орлов и др.

В то время как в задаче N тел мы имеем дело с дискретной моделью звездной системы, имеют право на рассмотрение и модели с непрерывным распределением масс, обладающие определенным видом симметрии. Т.А.Агекян и В.В.Орлов рассмотрели движение в ротационно-симметричном гравитационном поле, наиболее часто встречающемся в природе. Они исследовали в новых переменных орбиты, описываемые пробными материальными точками. Эти орбиты могут иметь весьма причудливый вид, быть периодическими, устойчивыми и неустойчивыми.

В определенных условиях орбиты могут становиться стохастичными. Это проявляется в том, что траектории становятся запутанными и при малых изменениях начальных условий резко и непредсказуемо меняют свой характер. Этой модной и важной теме были посвящены доклады Г.Кэндрапа и Г.Контопулоса. Выявлены области “застревания”, в которых траектории проводят очень долгое время вблизи некоторого острова, откуда устремляются в окружающую хаотическую область.

Имея пространственное гравитационное поле, поле скоростей центроидов и дисперсии скоростей, можно строить самосогласованные (фазовые) модели, в которых все частицы движутся в поле, создаваемом ими самими. К.Хантер дал обзор методов построения стационарных осесимметричных и трехосных фазовых моделей галактик, таких, которые можно приспосабливать к быстро возрастающему объему кинематических данных. Модели состоят из орбит, которые могут быть как регулярными, так и весьма стохастичными. Они ограничены интегралами движения — от одного до трех, которые могут быть известны точно, приближенно или как результат численного анализа. Каждый случай требует своего метода построения модели. Центральным вопросом является роль стохастических орбит в моделях. Важно также возможное наличие центральных пиков плотности и черных дыр.

Звездные системы, как правило, вращаются. Если возникающие при этом центробежные силы уравновешиваются силами гравитации, то можно ставить вопрос о фигурах равновесия. Б.П.Кондратьев изложил с современных звездно-динамических позиций теорию фигур равновесия. Он применил теорию фигур равновесия к моделированию глобул (темные компактные туманности), в которых могут рождаться звезды, используя однородный трехосный эллипсоид, находящийся в экваториальной плоскости галактического поля.

Чтобы звездная система могла существовать достаточно долго в условиях равновесия, она должна быть устойчивой по отношению к возмущениям, возникающим как внутри нее, так и вследствие внешних воздействий. В обзорном докладе В.А.Антонов перечислил ряд вопросов по устойчивости звездных систем, которые требуют решения. В частности, неустойчивость вращающейся среды связана с проблемой происхождения спиральных ветвей. Здесь следует учитывать такое парадоксальное явление в звездных системах, как вязкость. Д.Линден-Белл сделал обзор по статистической механике гравитирующих систем, уделив особое внимание анализу работ Антонова (так называемая гравотермальная катастрофа). Он продемонстрировал опыт по отсутствию равновесия в гравитирующей системе, связанному с отрицательной теплоемкостью. Роль тепла выполняла жидкость (красное вино), наливаемая в систему пластиковых бутылок разного диаметра с упругими подвесами. При наливании вина в крайнюю бутылку его количество в ней убывало, перетекая в другие бутылки. Воистину in vino veritas! Значительную роль в звездных системах играет перемешивание. Обзор Г.Кэндрапа был посвящен хаотическому перемешиванию в галактической динамике. Перемешивание может играть решающую роль в объяснении значительной эффективности, с которой столкнувшиеся галактики переходят к новому состоянию равновесия. В.А.Антонов отметил, что перемешивание заставляет быстро “забыть” близкие кинематические характеристики совместно возникших объектов. Математическая трудность задачи о перемешивании в том, что оно не является локальным.

Однако не единой наукой интересуются астрономы, и ничто человеческое им не чуждо. Была еще культурная программа. Накануне открытия участники ездили на экскурсию в Павловск, где родился К.Ф.Огородников. Они посетили парк и дворец Павла I. Разумеется, состоялась и прогулка по Нижнему парку Петродворца, где гости любовались всемирно известными фонтанами и интерьерами Большого дворца Петра I. На следующий день после закрытия конференции участники посетили Эрмитаж и прокатились по рекам и каналам Петербурга. Не были забыты и супруги гостей, которых развлекали отдельно, пока их мужья занимались наукой. В день закрытия состоялся завершающий ужин, на котором было произнесено немало дружеских и остроумных тостов.

Следует отдать должное мужеству иностранцев, прибывших из своего благополучия. Они напуганы своими масс-медиа, передающими ужасные новости из России — взрывы, похищения людей, заказные убийства и т.п. Один из американцев перед конференцией все запрашивал организаторов, будет ли здесь его жена в безопасности. Его всячески успокаивали, а она осталась довольна своим пребыванием здесь. Стойко переносили гости и наши бытовые неурядицы.

***

Если конференции проводят, значит, это кому-нибудь нужно. Известно бедственное положение отечественной науки: нищенское финансирование (в лучшем случае только в фонд зарплаты), слабое обеспечение вычислительной техникой и плачевное состояние научных библиотек, сильно затрудняющее изучение современной литературы. Конференция позволила отечественным ученым, имеющим весьма ограниченные средства для участия в зарубежных конференциях, ближе ознакомиться с современным состоянием мировой науки. Вместе с тем конференция была полезна и иностранным участникам, в общем-то, слабо знающим российские достижения. И все-таки эти достижения есть, многие имеют высокий уровень и представляют для специалистов значительный интерес!

Per aspera ad astra!

С.А.КУТУЗОВ, заведующий кафедрой космических технологий и прикладной астродинамики