Навстречу солнечному ветру: как зонд «Паркер» будет исследовать ближайшую к нам звезду

Буквально через несколько часов, а может и минут (см. живую трансляцию в конце), в космос отправится новая миссия по изучению Солнца — Parker Solar Probe (или солнечный зонд «Паркер»). Через несколько лет аппарат подойдет к Солнцу так близко, как это еще не удавалось ни одному рукотворному объекту. Редакция научного журнала "N + 1" с помощью Сергея Богачева, главного научного сотрудника лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН, решила разобраться, зачем ученые посылают аппарат в столь жаркое место и каких результатов от него ждут.

Зонд «Паркер» - самый жаропрочный космический аппарат в Солнечной системе

Когда мы смотрим на ночное небо, то видим огромное количество звезд — самую многочисленную категорию объектов во Вселенной, доступных для наблюдений с Земли. Именно эти огромные сияющие газовые шары производят в своих термоядерных «топках» многие химические элементы тяжелее водорода и гелия, без которых не существовала бы и наша планета, и все живое на ней, и мы сами.

Звезды находятся на огромных дистанциях от Земли — расстояние до ближайшей из них, Проксимы Центавра, оценивается в несколько световых лет. Но есть одна звезда, чей свет идет до нас всего восемь минут, — это наше Солнце, и наблюдения за ним помогают нам больше узнать о других звездах Вселенной.

Солнце гораздо ближе к нам, чем это кажется на первый взгляд. В определенном смысле, Земля находится внутри Солнца — ее постоянно омывает поток солнечного ветра, исходящего из короны — внешней части атмосферы звезды. Именно потоки частиц и излучения от Солнца управляют «космической погодой»вблизи планет. От этих потоков зависит появление полярных сияний и возмущения в магнитосферах планет, а вспышки на Солнце и корональные выбросы массы выводят из строя спутники, влияют на эволюцию жизненных форм на Земле и определяют радиационную нагрузку на пилотируемые космические миссии. Причем подобные процессы происходят не только в Солнечной системе, но и в других планетных системах. Поэтому понимание процессов в короне Солнца и внутренней гелиосфере позволяет нам лучше ориентироваться в особенностях поведения плазменного «океана», окружающего Землю.

Строение Солнца

«Из-за удаленности Солнца практически всю информацию о нем мы получаем через генерируемое им излучение. Даже какие-то простые параметры, такие как температура, которые на Земле могут измеряться обычным градусником, для Солнца и звезд определяются существенно более сложным способом — по спектру их излучения. Это относится и к более сложным характеристикам, например к магнитному полю. Магнитное поле способно влиять на спектр излучения, расщепляя линии в нем, — это так называемый эффект Зеемана. И именно благодаря тому, что поле меняет спектр излучения звезды, мы способны его зарегистрировать. Если бы такого влияния не было в природе, то мы бы ничего не знали о магнитном поле звезд, так как способа прямо подлететь к звезде нет», — говорит Сергей Богачев.

«Но у этого способа есть и ограничения — взять хотя бы то, что отсутствие излучения лишает нас информации. Если говорить про Солнце, то солнечный ветер не излучает свет, поэтому никакого способа удаленно определять его температуру, плотность и иные свойства нет. Не излучает свет и магнитное поле. Да, в нижних слоях солнечной атмосферы магнитные трубки заполнены светящейся плазмой и это дает возможность измерять магнитное поле вблизи поверхности Солнца. Однако уже на удалении одного радиуса Солнца от его поверхности такие измерения невозможны. И таких примеров можно привести довольно много. Как же быть в такой ситуации? Ответ очень простой: надо запускать зонды, которые могут подлететь прямо к Солнцу, погрузиться в его атмосферу и в солнечный ветер и проводить измерения непосредственно на месте. Такие проекты широко распространены, хотя менее известны, чем проекты космических телескопов, производящих удаленные наблюдения и поставляющих намного более эффектные данные (например, фотографии), чем зонды, с которых идут скучные потоки цифр и графиков. Но если говорить про науку, то, конечно, мало какое удаленное наблюдение может сравниться по силе и убедительности с исследованием объекта, который находится вблизи», — продолжает Богачев.

Загадки Солнца

Наблюдения за Солнцем велись еще в Древней Греции и в Древнем Египте, а на протяжении последних 70 лет не один десяток космических спутников, межпланетных станций и телескопов, начиная от «Спутника-2» и заканчивая работающими сегодня космическими обсерваториями, такими как SDO, SOHO или STEREO, пристально следили (и следят) за поведением самой близкой к нам звезды и ее окрестностями. Тем не менее, у астрономов по-прежнему остается немало вопросов, связанных со строением Солнца и его динамикой.

Например, уже более 30 лет перед учеными стоит проблема солнечных нейтрино, заключающаяся в недостатке зарегистрированных электронных нейтрино, образующихся в ядре Солнца в результате ядерных реакций, по сравнению с их теоретически предсказанным количеством. Другая загадка связана с аномальным нагревом короны. Этот самый внешний слой атмосферы звезды имеет температуру более миллиона градусов Кельвина, в то время как видимая поверхность Солнца (фотосфера), над которой располагаются хромосфера и корона, нагрета всего до шести тысяч градусов Кельвина. Это кажется странным, ведь по логике более внешние слои звезды должны быть более холодными. Прямого теплопереноса между фотосферой и короной недостаточно для обеспечения подобных температур, что означает, что здесь работают иные механизмы подогрева короны.

Корона Солнца во время полного солнечного затмения в августе 2017 года.

Существуют две основные теории, объясняющие эту аномалию. Согласно первой, за перенос тепла из конвективной зоны и фотосферы Солнца в хромосферу и корону ответственны магнитоакустические волны и Альвеновские волны, которые, рассеиваясь в короне, увеличивают температуру плазмы. Однако эта версия имеет ряд недостатков, например магнитоакустические волны не могут обеспечить перенос достаточно большого объема энергии в корону из-за рассеяния и отражения обратно в фотосферу, а волны Альвена относительно медленно преобразуют свою энергию в тепловую энергию плазмы. Кроме того, долгое время каких-либо прямых свидетельств распространения волн через солнечную корону просто не существовало — лишь в 1997 году космическая обсерватория SOHO впервые зарегистрировала магнитоакустические солнечные волны на частоте в один миллигерц, которые дают лишь десять процентов энергии, необходимой для нагрева короны до наблюдаемых температур.

Вторая теория связывает аномальный нагрев короны с постоянно происходящими микровспышками, возникающими из-за непрерывного пересоединения магнитных линий в локальных областях магнитного поля в фотосфере. Эта идея была предложена в 1980-х годах американским астрономом Юджином Паркером, чьим именем назван зонд и который также предсказал наличие солнечного ветра — потока высокоэнергетичных заряженных частиц, непрерывно испускаемых Солнцем. Однако теория микровспышек также до сих пор не получила подтверждения. Возможно, на Солнце работают оба механизма, однако это необходимо доказать, а для этого надо подлететь к Солнцу на достаточно близкое расстояние.

С короной связана еще одна тайна Солнца — механизм образования солнечного ветра, заполняющего всю Солнечную систему. Именно от него зависят такие явления космической погоды, как северные сияния или магнитные бури. Астрономов интересуют механизмы возникновения и ускорения медленного солнечного ветра, рождающегося в короне, а также роль магнитных полей в этих процессах. Здесь также существует несколько теорий, имеющие как доказательства, так и недостатки, и ожидается, что зонд «Паркер» поможет расставить точки над i.

«В целом, в настоящее время существуют достаточно проработанные модели солнечного ветра, которые предсказывают, как должны меняться его характеристики по мере удаления от Солнца. Точность этих моделей достаточно высока на расстояниях порядка земной орбиты, но насколько точно они описывают солнечный ветер на близких расстояниях от Солнца, не понятно. Вероятно, „Паркер“ может помочь с этим. Еще довольно интересный вопрос — ускорение частиц на Солнце. После вспышек к Земле приходят потоки большого числа ускоренных электронов и протонов. Не до конца ясно, однако, происходит ли их ускорение непосредственно на Солнце, а потом они просто движутся к Земле по инерции, или эти частицы дополнительно (а может быть и полностью) ускоряются на пути к Земле межпланетным магнитным полем. Возможно, когда на Землю придут данные, собранные зондом вблизи Солнца, с этим вопросом тоже можно будет разобраться. Есть еще несколько аналогичных проблем, продвинуться в решении которых можно тем же путем, — сравнив аналогичные измерения вблизи Солнца и на уровне земной орбиты. В целом, именно на решение таких вопросов и нацелена миссия. Остается только надеяться, что аппарат ждет успех», — говорит Сергей Богачев.

Прямиком в пекло

Зонд «Паркер» будет запущен 11 августа 2018 года со стартового комплекса SLC-37 на базе ВВС США на мысе Канаверал, в космос его будет выводить тяжелая ракета-носитель Delta IV Heavy — это самая мощная ракета из действующих, она может выводить на низкую орбиту почти 29 тонн груза. По грузоподъемности ее превосходит только Falcon Heavy, но этот носитель пока находится в стадии испытаний. Чтобы добраться в центр Солнечной системы, необходимо погасить очень высокую скорость, которую имеет Земля (и все объекты на ней) относительно Солнца — около 30 километров в секунду. Помимо мощной ракеты для этого понадобится серия гравитационных маневров у Венеры.

По плану процесс сближение с Солнцем продлится семь лет — с каждой новой орбитой (всего их 24) аппарат будет все ближе подходить к светилу. Первый перигелий будет пройден уже 1 ноября, на расстоянии 35 солнечных радиусов (около 24 миллионов километров) от звезды. Затем, после серии из семи гравитационных маневров вблизи Венеры, аппарат сблизится с Солнцем до расстояния около 9-10 солнечных радиусов (около шести миллионов километров) — это произойдет в середине декабря 2024 года. Это в семь раз ближе, чем перигелий орбиты Меркурия, еще ни один рукотворный космический аппарат не подбирался настолько близко к Солнцу (текущий рекорд принадлежит аппарату Helios-B, который приближался к звезде на 43,5 миллиона километров).

Схема перелета до Солнца и основных рабочих орбит зонда.

Основные этапы работы на каждой из орбит.

Выбор подобной позиции для наблюдений не случаен. По расчетам ученых, на расстоянии десяти радиусов от Солнца находится точка Альвена — область, где солнечный ветер ускоряется настолько, что покидает Солнце, а волны, распространяющиеся в плазме, уже не оказывают на него влияния. Если зонд сможет оказаться вблизи точки Альвена, то можно считать, что он вошел в солнечную атмосферу и коснулся Солнца.

Зонд «Паркер» в собранном состоянии, в ходе установки на третью ступень ракеты-носителя.

"Задача зонда заключается в измерении основных характеристик солнечного ветра и солнечной атмосферы вдоль своей траектории. Научные инструменты на его борту не являются уникальными, не обладают рекордными характеристиками (если не считать такими способность выдержать потоки солнечной радиации в перигелии орбиты). Parker Solar Probe — это аппарат с обычными приборами, но на уникальной орбите. Большинство (а может быть, даже все научные приборы) планируется держать отключенными на всех участках орбиты, кроме перигелиев, где аппарат наиболее близок к Солнцу. В некотором смысле такая научная программа дополнительно акцентирует, что главной задачей миссии является изучение солнечного ветра и солнечной атмосферы. Когда аппарат будет уходить от перигелия, данные с тех же приборов будут превращаться в рядовые, и для сохранения ресурса научных инструментов их будут просто переключать в фоновый режим до следующего сближения. В этом смысле способность выйти на заданную траекторию и способность прожить на ней заданное время — это те факторы, от которых в первую очередь будет зависит успех миссии«, — рассказывает Сергей Богачев.

Устройство теплозащитного щита «Паркера».

Вид теплозащитного щита на этапе установки на зонд.

Зонд «Паркер» с установленным теплозащитным щитом.

Чтобы выжить вблизи звезды, зонд оснащен теплозащитным щитом, работающим в качестве «зонта», под которым укроются все научные приборы. Передняя часть щита будет выдерживать нагрев до температур более 1400 градусов Цельсия, в то время как температура его задней части, где находятся научные инструменты, не должна превысить тридцати градусов Цельсия. Такой перепад температур обеспечивает особая конструкция этого «солнечного зонтика». При общей толщине всего в 11,5 сантиметра он состоит из двух панелей, сделанных из углеграфитового композита, между которыми находится слой углеродной пены. На переднюю часть щита нанесено защитное покрытие и белый керамический слой, увеличивающий его отражательные свойства.

Кроме щита, проблему перегрева призвана решить система охлаждения, использующая в качестве хладагента 3,7 литра деионизированной воды, находящейся под давлением. Электрическая проводка аппарата сделана с использованием высокотемпературных материалов, таких как сапфировые трубочки и ниобий, а во время сближений с Солнцем солнечные панели будут убираться под тепловой щит. Помимо сильного нагрева, инженерам миссии придется учитывать сильное световое давление со стороны Солнца, которое будет сбивать правильную ориентацию зонда. Чтобы облегчить эту работу, на зонд в разных местах установлены датчики солнечного света, помогающие контролировать защищенность научной аппаратуры от воздействия Солнца.

Инструментарий

Практически все научные инструменты зонда «заточены» под изучение электромагнитных полей и свойств окружающей его солнечной плазмы. Исключение составляет лишь оптический телескоп WISPR (Wide-field Imager for Solar PRobe), задачей которого станет получение изображений солнечной короны и солнечного ветра, внутренней гелиосферы, ударных волн и любых других наблюдаемых аппаратом структур.

Устройство инструмента FIELDS

Схема инструмента IS☉IS

Устройство телескопа WISPR

Элементы системы SWEAP

1/4

Другой прибор, получивший обозначение ISʘIS (Integrated Science Investigation of the Sun), представляет собой два отдельных инструмента: EPI-Hi и EPI-Lo. Они будут регистрировать электроны, протоны и тяжелые ионы, которые ускоряются до высоких энергий (от 10 килоэлектронвольт до 100 мегаэлектронвольт) в атмосфере Солнца и внутренней гелиосфере, причем каждый из инструментов будет охватывать свой диапазон по энергиям частиц. EPI-Lo будет регистрировать электроны и ионы и поможет опознать углерод, кислород, неон, магний, кремний, железо и два изотопа гелия (He-3 и He-4). EPI-Hi объединяет в себе три датчика частиц, позволяющие ловить более высокоэнергетические ионы (1-200 мегаэлектронвольт на нуклон) и электроны (0,5-6 мегаэлектронвольт). Благодаря данным с прибора ученые надеются понять физические процессы, которые управляют образованием, ускорением и динамикой заряженных частиц в самых внутренних областях гелиосферы.

Инструмент FIELDS (Electromagnetic Fields Investigation) состоит из нескольких антенн и магнитометров — он займется исследованием электромагнитных полей вблизи Солнца и будет вести прямые измерения напряженностей электрических и магнитных полей, плотности потока энергии электромагнитного поля, плотности плазмы и ее электронной температуры, плавающего потенциала зонда и радиоволн.

Система SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons) состоит из трех приборов и будет регистрировать наиболее распространенные частицы солнечного ветра (электроны, протоны и ионы гелия) и определять их скорости, плотность и температуру (как меру кинетической энергии частиц). В состав инструмента входит цилиндр Фарадея, сделанный из листов высокотемпературного сплава титана, циркония и молибдена и вольфрамовой сеточки. Это единственный научный прибор, вынесенный за теплозащитный щит и способный собирать научные данные в столь экстремальных условиях. Инструмент успешно прошел термические испытания в земных условиях и ученые надеются, что он проявит себя подобным образом и вблизи Солнца.

Устройство зонда «Паркер» и расположение научной аппаратуры.

Устройство зонда «Паркер» и расположение научной аппаратуры.

Помимо научной аппаратуры на борту зонда находится еще один предмет. Это чип, на котором записано 1127202 имен людей, отправивших свои заявки в электронном виде, а также фотографии Юджина Паркера и копия его научной статьи за 1958 год, посвященная солнечному ветру.

Установка чипа с именами и статьей Паркера на зонд.

Солнце хранит еще немало тайн, разгадка которых порой занимает десятилетия и приводит к неожиданным результатам. Остается надеяться, что «Паркер» не повторит судьбу Икара, героя древнегреческого мифа, и успеет собрать за свою недолгую жизнь большое количество уникальных научных данных, а те, в свою очередь, позволят ученым узнать больше о самой близкой к нам звезде.

Александр Войтюк

Источник