Чем активнее ученые исследуют Солнце, тем больше сюрпризов оно преподносит. До сих пор на нашем светиле есть “белые пятна”, которые бросают вызов астрофизикам. О некоторых из них корреспонденту “Поиска” рассказал победитель конкурса 2011 года по государственной поддержке научных исследований молодых российских ученых — ведущий научный сотрудник ФИАН доктор физико-математических наук Сергей БОГАЧЕВ.
Несмотря на значительный прогресс, вызванный развитием космических средств наблюдений, в физике Солнца все еще остается нерешенным целый ряд фундаментальных проблем. Сформулировать некоторые из них достаточно просто. Например, поверхность нашего светила имеет температуру около 6000 градусов, а окружающая ее атмосфера, называемая короной, — более миллиона. Получается, что энергия как бы передается от относительно холодного тела к горячему. Понятно, что это возможно только под действием неких особых механизмов. Проблема нагрева короны представляет фундаментальный интерес, так как подобные горячие атмосферы имеет большинство звезд. Благодаря тому, что одну из них, наше Солнце, мы наблюдаем с уникальной степенью детализации, есть возможность обнаружить и изучить причины этого феномена.
Сейчас ученые пришли к выводу, что к нагреву короны не имеют отношения никакие из известных крупных проявлений солнечной активности. Показать это довольно просто. В частности, совсем недавно, в 2008-2009 годах, на Солнце наблюдался один из самых глубоких минимумов активности за 260 лет наблюдений. В течение двух лет практически не было ни солнечных пятен, ни вспышек, ни даже просто сильных магнитных полей. Тем не менее за это время корона не остыла, ее размеры и плотность не уменьшились. Это показывает, что формирование горячей атмосферы Солнца происходит за счет некоторых микропроцессов, пока не наблюдаемых, но происходящих практически непрерывно как в максимуме, так и в глубоком минимуме солнечной активности. Из современных наблюдений можно даже определить, где протекают эти процессы. Непосредственно над солнечной поверхностью регистрируется область толщиной около 10 тысяч километров, на нижней границе которой температура составляет примерно 4500 градусов, а на верхней — уже около миллиона. Очевидно, что, какие бы механизмы ни “трудились” над нагревом солнечной короны, работают они именно здесь.
Чтобы понять природу этих механизмов, требуется значительно повысить точность наблюдений. Современные исследования солнечной короны ведутся с пространственным разрешением около одной-двух угловых секунд. Такую точность имел наш последний комплекс космических телескопов ТЕСИС, наблюдавший Солнце со спутника КОРОНАС-Фотон в 2009 году. Подобное разрешение кажется неплохим, но для исследования проблемы нагрева короны его недостаточно. По современным оценкам, чтобы прямо увидеть этот процесс, нужна детализация в 10 раз выше. Схожая ситуация и по временному разрешению. Современные космические телескопы позволяют получать изображения с шагом в несколько десятков секунд (это время экспозиции и обработки изображения в космосе), тогда как процессы, вызывающие повышение температуры короны, имеют продолжительность не более 1-10 секунд.
Поэтому для решения проблемы нагрева солнечной и звездных атмосфер требуется увеличить линейное и временное разрешение телескопов как минимум в 10 раз. Исходя из современного уровня приборостроения и рентгеновской оптики обе эти проблемы можно решить в течение пяти лет. Если все пойдет по плану, то в 2015 году мы получим с орбиты первые изображения области нагрева короны с требуемой детализацией. И грант президента выделен на экспериментальные работы, являющиеся частью этого проекта.
В ходе эксперимента ТЕСИС нам благодаря очень качественной рентгеновской оптике удалось выйти на уникальное временное разрешение наблюдений — до 4 секунд против типичных для этого диапазона 30-60 секунд. Для сравнения, уже после прекращения работы нашего прибора в космос была выведена новейшая солнечная обсерватория НАСА SDO, телескопы которой специально были разработаны для получения максимального временного разрешения. И тем не менее им не удалось нас превзойти.
Сейчас мы собираемся, используя данные с телескопа ТЕСИС (а это около 20 тысяч кадров), детально изучить все быстрые процессы в области нагрева короны. Узнать, существуют ли там микровспышки, наблюдаются ли колебания, какая энергия в них запасена, как быстро она переходит в тепло. Все это лишь часть более широкой работы, конечной целью которой является вывод в 2015 году специализированного малого научного спутника для изучения мелкомасштабных процессов в короне. Для этого спутника разработана новая концепция телескопов с угловым разрешением 0,15 угловой секунды, что позволит увидеть структуры с линейным размером 100 км. В разработке концепции принимали участие две группы — наша, из ФИАН, и американская, которая как раз делала телескопы для космической обсерватории SDO. Проект, таким образом, международный под нашим руководством. В разных формах в нем принимают участие также коллективы из Европы.
В солнечной физике сейчас происходит настоящий прорыв. Открывается несколько интересных направлений, по каждому из которых формулируется широкий круг задач. В связи с этим очень не хватает большого отечественного спутника, работающего в различных диапазонах. Ведь никакие чужие данные не заменят возможности проведения собственного активного эксперимента, в котором ты сам формулируешь задачи и выбираешь объекты для наблюдений. Такую возможность в 2009 году давала обсерватория КОРОНАС-Фотон, но она, как известно, вышла из строя, проработав девять месяцев. Поэтому сегодня одна из приоритетных задач, которая решается под руководством ФИАН, — вывести в космос полноценную замену утраченному спутнику. Соответствующий проект (его рабочее название СОЛЯРИС) к настоящему времени проработан, всего в нем участвуют около 10 научных организаций страны. Сейчас нужно приложить серьезные усилия, чтобы он был включен в космическую программу, в противном случае будет очень обидно, если те фундаментальные задачи, которые мы уже видим, будут решены кем-то другим.
Девять месяцев работы на КОРОНАС-Фотон, хотя это и очень мало, позволили нам очертить некоторые направления, по которым мы хотим продолжить работу и на проекте СОЛЯРИС. Например, очень интересные результаты были получены при изучении солнечных макроспикул. Это достаточно быстрые и многочисленные всплески вещества (продолжительностью 5-10 минут), которые регистрируются на краю солнечного диска, они окружают его, как бахрома. Нам впервые в мире удалось измерить ускорение плазмы внутри этих макроспикул и показать, что оно отличается от гравитационного и, следовательно, управляется некоторой неизвестной силой. Это очень интересный результат, имеющий выход сразу на две фундаментальные проблемы. Первая связана с нагревом короны, что может быть результатом действия этой неизвестной пока силы. Вторая касается ускорения солнечного ветра, которое начинается на тех же самых высотах.
Но все-таки самое интересное явление на Солнце, открытое недавно в ФИАН, — это так называемые горячие точки: в короне без видимой причины возникают компактные объекты размером до 10 тысяч километров, имеющие температуру более 10 миллионов, а в отдельных всплесках — до 30 миллионов градусов. Почему они не были обнаружены ранее? Прежде всего, наблюдение плазмы такой температуры, в целом, очень сложный процесс. Ее основное излучение лежит в мягком рентгеновском диапазоне, где уже плохо работает обычная рентгеновская оптика. Кроме того, наблюдениям сильно мешают соседние линии спектра. Все эти проблемы в свое время удалось решить, и сейчас ФИАН обладает технологией получения изображений горячей солнечной плазмы.
Мы применяли эти технологии в 2001-2005 годах, когда работали на спутнике КОРОНАС-Ф, с помощью которого как раз и открыли горячие точки. А уже на следующем спутнике КОРОНАС-Фотон были обнаружены горячие точки в условиях глубочайшего минимума солнечной активности. Так, например, в марте-апреле 2009 года, когда за два месяца на Солнце вообще не было ни активных областей, ни вспышек, мы зарегистрировали около 20 событий. На фоне совершенно спокойного солнечного диска вдруг разгорались яркие структуры с температурой более 10 миллионов градусов. Мы пока не находим объяснений этому. Главную трудность представляет вопрос об источниках нагрева. По первым прикидкам, энергии магнитного поля (а это обычный резервуар энергии для всех активных событий на Солнце) для этого существенно не хватает. Возможно, речь идет вообще о каком-то новом эффекте. В таком случае наши знания о физике Солнца могут в ближайшее время заметно измениться.
Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Фото Андрея Моисеева
Нет комментариев