Солнце постоянно выбрасывает в космос потоки заряженных частиц. Когда такой выброс достигает Земли, он может вызвать магнитную бурю. Последствия — от сбоев в спутниках и проблем с радиосвязью до перегрузок в энергосетях. Сегодня службы прогноза космической погоды действуют почти вслепую в самый важный момент: они видят вспышку на Солнце, рассчитывают примерное время прибытия облака плазмы, а затем ждут его фиксации спутниками в точке Лагранжа L1 — в полутора миллионах километров от нас. Оттуда до Земли при скорости тысячи километров в секунду выброс долетает меньше чем за полчаса. Времени на подготовку практически не остаётся.
Исследователи из Пущинской радиоастрономической обсерватории, В.В. Орешко и С.А. Тюльбашев, предложили принципиально иной подход — следить за выбросами на всём их пути от Солнца к Земле. Для этого они используют эффект межпланетных мерцаний: когда радиоволны от далёких звёзд проходят сквозь неоднородности солнечного ветра, их интенсивность хаотично меняется. Резкое усиление таких мерцаний указывает на то, что на луче зрения находится фронт коронального выброса массы. Учёные уже научились сравнивать мерцания одного и того же источника в соседние дни и по скачкам индекса мерцаний определять приближение плазменного облака. Однако старые телескопы-меридианы видят лишь узкую полосу неба и проверяют каждый источник раз в сутки — быстрый выброс может просто проскочить незамеченным за ночь.
Новый радиотелескоп, который разрабатывают авторы проекта, будет работать как фазированная антенная решётка из множества модулей. Каждый модуль — это шестнадцать широкополосных диполей, собранных в квадрат четыре на четыре. Один такой модуль способен одновременно охватывать небо площадью более 400 квадратных градусов — это примерно как сорок видимых дисков полной Луны. Телескоп сможет формировать до двадцати независимых лучей и следить за десятками мерцающих радиоисточников одновременно. Рабочий диапазон частот выбран в промежутке 120–240 мегагерц: ниже мешают галактические шумы и ионосфера, а выше — забито навигационными службами. Чувствительность инструмента позволит регистрировать даже слабые источники с флуктуациями потока в сотые доли янского, что достаточно для надёжного обнаружения фронта выброса.
Конструкция телескопа предусматривает 64 антенных модуля, обеспечивающих эффективную площадь около тысячи квадратных метров на центральной частоте 180 мегагерц. Этого достаточно, чтобы вести наблюдения на элонгациях от 25 до 90 градусов — то есть от области, где мерцания ещё заметны, до самого горизонта. Поле зрения модуля — примерно 20 на 20 градусов, что при средней плотности мерцающих источников даёт около двух сотен кандидатов в каждой площадке. Из них оператор сможет выбрать двадцать наиболее ярких и отслеживать их в реальном времени. Полный обзор девяти площадок, покрывающих ожидаемую зону выброса, займёт около двух часов. Как только фронт обнаружен, система переключается на наблюдение симметричных площадок по обе стороны от Солнца — это позволяет точно определить направление движения выброса относительно линии Солнце–Земля.
Оценка скорости распространения становится главным преимуществом нового метода. При скорости 800–1000 километров в секунду выброс проходит угловое расстояние в один градус примерно за час. Чередуя наблюдения двух площадок каждые полчаса, можно получить детальную траекторию и предсказать момент прибытия к Земле с точностью до одного часа — вместо нынешних двух-трёх часов. Причём прогноз можно будет выдавать минимум два-три раза в сутки, а при расширении системы до 128 модулей — до шести раз в день. Авторы подчёркивают, что даже узкие выбросы шириной около 20 градусов, которые составляют примерно 16–23 процентов от всех событий, будут зафиксированы на расстоянии 0,1 астрономической единицы от Земли — это даёт запас в четыре часа до удара.
Но радиотелескоп не ограничится одной лишь космической погодой. Днём он будет работать на прогноз, а ночью — решать фундаментальные научные задачи. С его помощью можно искать новые пульсары, в том числе недавно открытые долгопериодические транзиенты с периодами от минут до часов, природа которых пока остаётся загадкой. Накопление сигнала за год позволит обнаруживать пульсары с плотностью потока около 11 мЯн, а специальные восьмичасовые ночные сеансы — сравниться по чувствительности с крупнейшими мировыми обсерваториями, такими как LOFAR. Кроме того, ежедневные обзоры неба дадут уникальный материал для изучения мерцаний на межзвёздной плазме и построения карт её распределения с высоким угловым разрешением.
Испытания уже идут: собран и тестируется опытный образец антенного модуля четыре на четыре. Первые наблюдения показали, что его диаграмма направленности точно соответствует расчётам, а снег и дождь практически не влияют на работу — важное преимущество для открытой площадки в Подмосковье. Антенные усилители с шумовой температурой всего 70 кельвинов обеспечивают необходимый динамический диапазон, а система фазирования позволяет формировать лучи с точностью до долей наносекунды. Конечно, остаются вопросы к коррелятору и цифровой обработке сигналов, но они решаемы на базе современных графических ускорителей. Авторы отмечают, что для гарантированного непрерывного прогноза потребуется сеть из нескольких таких телескопов на разных долготах — чтобы подстраховать друг друга в случае грозы или аварии.
В конечном счёте предлагаемый радиотелескоп закрывает зияющую брешь в цепи прогнозирования: от Солнца до Земли. Вместо того чтобы гадать по начальной скорости выброса и ждать сигнала от спутника у самой Земли, учёные получают возможность видеть плазменное облако в пути, замерять его скорость и направление несколько раз за день и уверенно говорить: «Буря придёт через столько-то часов». Это не фантастика, а инженерно просчитанный проект, который при должной поддержке может стать реальностью. И тогда подготовка к геомагнитным возмущениям перестанет быть лотереей, а превратится в точное предсказание — так же, как сегодня мы знаем, когда пойдёт дождь.
Данные о разработке опубликованы в журнале «Солнечно-земная физика»
Изображение на обложке: разработано Magnific
