В короне Солнца открыты необычные структуры.
Солнце - динамичная звезда, состоящая из сверхгорячего ионизированного газа, называемого плазмой. Под воздействием магнитных сил, создаваемых ею, поверхность светила и его атмосфера постоянно меняются. Грандиозная, завораживающая воображение картина!
Гелиос, как называли наше светило древние греки, посылает в окружающее пространство, в том числе к Земле, мощный поток света, энергичных частиц и радиоволн. Солнце постоянно испускает частицы и энергию, известные как солнечный ветер. Именно он порождает порой драматические события: отказы разных приборов, спутников, энергосистем… Опасен такой ветер для космонавтов, экипажей космических станций. Помните эпизод из романа Аркадия и Бориса Стругацких «Страна багровых туч», когда его герои ждали в корабле неминуемой гибели под ливнем частиц? Сегодня это уже не фантастика - могло бы произойти и в реальности.
Изучение Солнца не только помогает нам понять фундаментальные принципы работы самого светила, функционирование Вселенной, но и позволяет защитить технологии и космонавтов от воздействия космической погоды.
Стабильная усредненная температура короны в пределах одного-двух миллионов градусов Кельвина мало меняется с 11-летним циклом его активности. А вот причины ее нагрева - главная загадка физики Солнца. Даже небольшие изменения средней температуры короны способны вызвать сильные и длительные изменения климата Земли.
Корона простирается на миллионы километров, формируя удивительные структуры, такие как петли магнитных полей, корональные дыры (источники высокоскоростного солнечного вет-ра). Именно из нее отправляются в космос колоссальной мощности выбросы плазмы, напрямую влияющие на космическую погоду Земли. По мнению многих астрофизиков, изучение короны - ключ к разгадке многих тайн, включая необъяснимую пока аномалию ее нагрева и механизм солнечных вспышек. Наблюдать их можно только во время полного солнечного затмения или с помощью специальных инструментов - коронографов, скрывающих яркий диск Солнца.
Современные космические миссии, такие как Parker Solar Probe, Solar Orbiter, позволили приблизиться к разгадке механизмов нагрева короны и динамики этого процесса. Однако ключевые вопросы, включая природу узкополосных эффектов поглощения - явления, связанного с физическими процессами, происходящими в корональной плазме, - до сих пор открыты.
В 2024 году на Всероссийской астрономической конференции (ВАК-2024) научный руководитель Специальной астрофизической обсерватории РАН (САО РАН) академик Юрий Балега обратил внимание на нереализованный потенциал наземной радиоастрономии в изучении Солнца и, в частности, на возможности ветерана - радиотелескопа РАТАН-600 («Поиск» подробно освещал работу этой конференции, «Приближая бесконечность», №40, 2024). Его преимущества (как отметил тогда ученый) - многочастотность, большое поле наблюдений, высокая разрешающая способность. При установке более совершенных приборов повысится и эффективность наблюдений.
Радиотелескоп РАТАН-600 построен на основе антенны с переменным профилем принимающей поверхности, которая имеет форму 11-метровой вырезки из параболоида диаметром 600 метров и размещается вблизи поверхности Земли. При слежении за объектом радиотелескоп сочетает большой размер поверхности с возможностью ее перестройки, что делает его высокочувствительным и широкополосным, благодаря чему он остается лидером в решении многих задач физики короны.
– На фоне мощного излучения спокойного Солнца уникальные свойства РАТАН-600 позволяют выделять в диапазоне 8 мм-70 см слабые сигналы до 10-3 с.е.п. (солнечных единиц потока), - говорит научный сотрудник Санкт-Петербургского филиала САО РАН Евгений Курочкин. - Для сравнения, поток от всего Солнца (интегральный поток) - порядка 70-200 с.е.п. (в зависимости от фазы 11-летнего цикла солнечной активности Швабе). В с.е.п. «астрономы-солнечники» измеряют поток излучения (в том числе и микроволнового, как на РАТАН-600) от Солнца и объектов на нем. Это внесистемная единица измерения. Одна с.е.п. равна 10-22 Вт/м2·Гц. Да-да, «десять в минус двадцать второй» - такие слабые потоки микроволнового излучения идут к нам от Солнца, а ведь их должен улавливать и четко анализировать радиометр с точностью до 10-3 с.е.п.!
С введением в эксплуатацию нового высокоскоростного спектрального комплекса возможности РАТАН-600 возросли. Чем так хорош новый спектральный комплекс?
Радиопомехи - главный враг радиоастрономии. В наши дни радиочастотные помехи преследуют каждый современный радиотелескоп, серьезно мешая получать «чистые» данные. Источники помех окружают нас повсюду - от спутниковой связи и мобильных сетей до радаров и бытовой электроники. Для крупного российского радиотелескопа РАТАН-600 эта проблема особенно актуальна: за последние десятилетия эфир на его площадке стал настолько «зашумленным», что в середине 2010-х годов пришлось приостановить наблюдения на частотах ниже 3 ГГц. Но именно в диапазоне 0,5-3 ГГц наблюдается множество интереснейших явлений в короне Солнца.
Как «очистить» сигналы от Солнца от земных помех и вернуть утраченную часть диапазона? Принципиальный вызов для астрономов и конструкторов. С появлением нового спектрометра, современного высокоскоростного цифрового приемного комплекса, он был преодолен. Создала прибор команда Санкт-Петербургского филиала САО РАН, Института прикладной астрономии РАН и ОАО «Скард Электроникс» (Курск). Аналоговый входной модуль комплекса подключается к существующей антенной системе РАТАН-600, а все дальнейшие преобразования выполняются цифровым процессором на базе ПЛИС (программируемой логической интегральной схемы, англ. - FPGA). Прямое оцифровывание радиосигнала без промежуточных преобразований поз-волило охватить сразу широкую полосу частот 1,0-3,0 ГГц и анализировать ее целиком в режиме реального времени. Что важно, благодаря программируемой ПЛИС алгоритмы можно совершенствовать, не меняя «железо» прибора. Одним словом, ученые получили комплекс, сочетающий высокое спектральное разрешение (до 10-5) и эффективное подавление помех.
Используя новый комплекс, ученые обнаружили в диапазоне 1-3 ГГц ранее недоступные для регистрации явления. В частности, сильное поглощение радиоволн над активными областями солнечной короны. У них четкие частотные границы. Также в короне во многих тонких структурах (протуберанцах, волокнах) было зафиксировано поглощение плазмы. Подобные структуры в виде «коронального дождя» изучаются в оптическом диапазоне на крупных телескопах с диаметрами зеркал 1,6 и 4,0 м. Ученым САО РАН удалось впервые обнаружить их в спектрах короны с помощью радиоволн.
Спектрально-поляризационные наблюдения Солнца на РАТАН-600 в микроволновом диапазоне 3-18 ГГц с относительным пятипроцентным частотным разрешением позволили выделить класс активных областей, в которых генерируются мощные события, соответствующие уровням M и X рентгеновского излучения.
– Полученные результаты открывают перспективы дальнейших исследований тонкой структуры короны в радиодиапазоне, - говорит руководитель солнечных исследований на РАТАН-600 главный научный сотрудник Санкт-Петербургского филиала САО РАН доктор физико-математических наук Владимир Богод. - Комбинированный анализ данных дает более полное представление о физических процессах, происходящих в короне Солнца, и позволяет приблизиться к пониманию механизмов ее нагрева. Наши наблюдения доказывают, что радиоастрономический метод исследования солнечной атмосферы сохраняет свою актуальность, поскольку позволяет получать данные о параметрах активной плазмы на высотах, труднодоступных для современных спутниковых методов. Изу-чение предвспышечной плазмы способствует пониманию процессов, приводящих к вспышке, выработке критериев прогноза периода активности особенно мощных «извержений», оказывающих существенное влияние на состояние околоземного космического пространства.
Как отмечал академик Ю.Балега, радиоастрономия сегодня - большое направление современной науки о Вселенной. Оно интенсивно развивается в мире, чему свидетельство - введение в эксплуатацию в развитых странах суперсовременных радиотелескопов. Одно из важных направлений их использования - исследования Солнца. В 2023-м отечественные ученые получили современный инструмент - в Бурятии заработал радиогелиограф Института солнечно-земной физики СО РАН, предназначенный для измерения активности светила, наблюдений за его поверхностью.
Но и ветераны, среди которых РАТАН-600, продолжают выдавать значимые результаты. Свидетельство тому - исследование, о котором рассказано в этой статье.
Станислав ФИОЛЕТОВ
Обложка: иллюстрация предоставлена Евгением Курочкиным
