Дотянуться до Солнца — одна из самых сильных метафор для описания человеческих амбиций. В мифологии такие попытки обычно оборачивались трагедией, как, например, в древнегреческом мифе о Дедале и Икаре. Но подобные истории не способны обрезать крылья человеческому воображению и любопытству. Поэтому с того момента, как люди научились выходить за пределы Земли, они мечтали отправить космический аппарат к Солнцу в надежде больше узнать о нашей звезде. Параллельно на рассвете космической эры человечество начало постигать и степень влияния Солнца на Солнечную систему.
В революционной статье, опубликованной в 1958 году, физик Юджин Паркер предсказал существование солнечного ветра — потока заряженных частиц, проникающих даже в самые удалённые уголки Солнечной системы. Именно в его честь назван новый космический аппарат NASA Parker Solar Probe (солнечный зонд «Паркер»), который впервые подберётся к Солнцу на беспрецедентное расстояние 8,86 солнечного радиуса (6,2 млн км, или 0,04 астрономической единицы). Главная цель миссии, стартовавшей 12 августа 2018 года, — собрать как можно больше информации о солнечной атмосфере.
С Земли кажется, что Солнце светит без каких-либо «спецэффектов». Но на самом деле его поверхность турбулентна, полна волн, вихрей, извержений и внезапных вспышек, которые выбрасывают огромное количество вещества в космос. Корона Солнца (так называют самую внешнюю часть атмосферы звезды) простирается на миллионы километров от его поверхности. В ней бурлит плазма: газ, разогретый настолько, что его атомы разделяются на ионы и свободные электроны. Процессы в атмосфере Солнца разгоняют частицы до огромных скоростей и выбрасывают их в виде солнечного ветра в Солнечную систему. «Штормовой» солнечный ветер, воздействуя на земную магнитосферу, вызывает магнитные бури, способные нарушить радиосообщение, повредить спутники и вызвать помехи в электросетях на Земле.
ТАИНСТВЕННАЯ СОЛНЕЧНАЯ КОРОНА
Первые знания о короне Солнца были получены во время полных солнечных затмений. Корона намного тусклее поверхности Солнца, так что до того, как появились высокоточные инструменты и космические аппараты, её можно было увидеть только во время полного затмения. Однако основное излучение солнечной короны лежит в дальнем ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах, которые не пропускает земная атмосфера. Оно, как и солнечный ветер, может быть изучено лишь с помощью космических обсерваторий.
Солнечная корона — весьма загадочный объект. Чем дальше атмосфера Солнца находится от его поверхности, тем она горячее. Температура короны на расстоянии полутора тысяч километров от поверхности Солнца оценивается в миллион градусов, тогда как сама поверхность — всего в 6000’С. Температура короны достигает максимума в 2 миллиона градусов на расстоянии 70 000 км, а затем убывает. Каким образом Солнце разогревает свою атмосферу до такой высокой температуры, остаётся одним из самых больших вопросов в астрофизике. Он получил название «проблема нагрева короны». Существующие гипотезы только частично объясняют наблюдения, именно поэтому зонд «Паркер» отправляется в пекло солнечной короны. На основе данных с места событий физики надеются найти непротиворечивое объяснение наблюдаемым явлениям.
История этого вопроса берёт начало с солнечного затмения 1869 года, когда в короне Солнца была замечена зеленая спектральная линия. Каждый химический элемент испускает излучение с уникальным спектральным «отпечатком пальцев», обусловленным структурой электронной оболочки его атома. По спектру излучения можно определить химический состав источника света. Зелёная линия, обнаруженная в 1869 году, не соответствовала ни одному известному на тот момент химическому элементу. Поэтому физики решили, что обнаружили новый элемент и назвали его корониум. Спустя 70 лет оказалось, что это никакой не корониум, а сильно ионизированное железо, атомы которого разогреты до такой степени, что потеряли 13 электронов. Но для этого необходимо разогреть железо до миллиона градусов! С тех пор, чем больше становилось известно о солнечной короне, тем больше вопросов вызывала проблема её нагрева. Как корона нагревается так сильно и так быстро?
Как она поддерживает такие температуры? И почему разные её компоненты нагреваются с разной скоростью? С момента обнаружения проблемы нагрева короны над её решением бьются и физики, и инженеры. Они строят сложные модели, разрабатывают изощрённые инструменты и космические аппараты для наблюдения за Солнцем, но пока что их объяснения противоречат друг другу.
Сложность в том, что ответ на этот вопрос может дать только исследование частиц солнечной плазмы, а корона и солнечный ветер вблизи Земли — это совсем не одно и то же. Заряженные частицы достигают нашей планеты примерно за четыре дня, преодолевая расстояния в 150 млн км. За это время они успевают перемешаться с другими частицами, населяющими космические просторы, и растерять часть своих изначальных свойств и пространственную структуру. Изучение короны по доступному нам плазменному супу можно сравнить с изучением конкретной горы по просеянному песку с речного дна в тысячах километров от этой горы.
Амбициозная цель нового зонда — решить эту проблему, измерив характеристики частиц «с пылу с жару» и отправив данные на Землю. «Паркер» будет тестировать две главные теории нагрева короны. Обе они пытаются объяснить, как бурлящая поверхность Солнца разогревает плазму. Словно пузырьки воздуха, которые выбираются на поверхность кипящей воды, ячейки плазмы пробираются сквозь верхние слои звезды и формируют сложные магнитные поля, которые распространяются до верхних слоёв короны. Первая теория предполагает, что нагрев короны происходит за счёт электромагнитных волн, распространяющихся вдоль линий этого магнитного поля. Они ускоряют заряженные частицы, порождая плазменные волны, известные как волны Альвена (шведский физик, лауреат Нобелевской премии), и нагревают плазму. Примерно так же океанические волны толкают и ускоряют сёрферов к берегу.
Вторая теория предполагает, что локальные взрывы, то и дело вспыхивающие на поверхности Солнца, выбрасывают тепло в атмосферу. Как и их более крупномасштабные аналоги, солнечные вспышки, эти взрывы происходят вследствие так называемого магнитного пересоединения. Турбулентное кипение поверхности Солнца закручивает и изгибает линии магнитного поля, наращивая их напряжение, пока они не разорвутся, как перекрученный резиновый жгут, и не соединятся по-другому, высвобождая энергию, ускоряя и разогревая частицы.
Эти две теории не обязательно исключают друг друга. Многие исследователи считают, что оба механизма совместно нагревают корону. Например, магнитное пересоединение запускает вспышку, которая в свою очередь возбуждает альвеновские волны, разогревающие плазму.
Но здесь важно знать, как часто происходят подобные процессы: постоянно или отдельными вспышками, какой из них доминирует, и прочие тонкости. Чтобы ответить на все эти вопросы и выбрать одну из конкурирующих теорий или обе, зонд «Паркер» будет вращаться вокруг Солнца с такой же скоростью, как и сама звезда. Так он сможет зависнуть над одной точкой её поверхности и отследить эволюцию нагрева короны.
Раскрытие принципов «работы» короны улучшит наше понимание космической погоды вблизи нашей планеты. Но такие знания будут полезны и за пределами Солнечной системы. Они дадут возможность понять процессы в атмосферах других звёзд, которые находятся слишком далеко для непосредственного изучения. Особенно интересны звёзды, похожие на Солнце, которые тоже могли бы создать условия для жизни. Данные зонда «Паркер» поспособствуют развитию и фундаментальной физики плазмы. Возможно, они позволят астрофизикам лучше разобраться с тем, как горячая плазма ведёт себя в других уголках Вселенной, например в галактических кластерах или вокруг чёрных дыр.
КАК ДОЛЕТЕТЬ ДО СОЛНЦА…
На пути к Солнцу зонд «Паркер» сначала должен достигнуть окрестностей Венеры. Оттуда, используя гравитацию второй планеты Солнечной системы, он перейдёт на нужную гелиоцентрическую орбиту. Поэтому зонд «Паркер» отправился к пункту своего назначения на ракете Delta IV Heavy 12 августа 2018 года, когда Земля и Венера были расположены самым выгодным образом для решения поставленной задачи. В финале он должен достичь огромной скорости 192 км/с (около 700 000 км/ч), поэтому энергия запуска аппарата к Солнцу в 55 раз больше той, что нужна для полёта на Марс, и в 2 раза больше энергии, необходимой, чтобы долететь до Плутона.
Чтобы приблизиться к Солнцу на запланированное расстояние, зонд должен будет повторить пролёт около Венеры несколько раз, постепенно уменьшая перигелий (точку орбиты, максимально приближенную к Солнцу) и период обращения вокруг Солнца. Первый свой перигелий на расстоянии 24,1 млн км от поверхности Солнца зонд «Паркер» пройдёт уже в ноябре этого года, а минимального расстояния 6,2 млн км достигнет только при 22-м пролёте в 2024 году. По такой орбите ожидается пять пролётов. За это время зонд должен собрать достаточно полную информацию о короне.
Достигнув солнечной короны, зонд «Паркер» начнёт наблюдать за формированием ударных волн и магнитным пересоединением — двумя главными кандидатами на роль нагревателя солнечной короны и ускорителя солнечного ветра. На основе данных о температуре, скорости и направлении движения частиц плазмы физики смогут определить, как эти частицы взаимодействуют с волнами на временных промежутках вплоть до долей секунды. Скорость взаимодействия и разогрева ионов, скорее всего, связана с их массой, что должно влиять на формирование различных пространственных плазменных образований. Мы пока ничего не знаем о таких свойствах солнечной короны. Исследователи ожидают увидеть очень интересную структуру и динамику солнечного ветра вблизи поверхности Солнца, гораздо более интересную, чем то, что они видят с Земли и из её окрестностей. Возможно, плазма в ней образует вихристые волокна, а возможно — структуры, напоминающие ёршики для мытья бутылок.
Нельзя исключать и то, что нас ждут сюрпризы. Сложно сказать, как решение проблемы нагрева короны поменяет наши представления о космосе, но фундаментальные открытия такого рода способны изменить науку и технологию. Зонд «Паркер» — это путешествие человеческого любопытства в ранее неизведанный регион Солнечной системы, где любое наблюдение способно стать открытием. И, несмотря на огромные температуры и радиацию, исследователи уверены, что зонд справится со своей задачей.
…И НЕ РАСТАЯТЬ
Один из ключевых моментов в поддержании космического аппарата и его инструментов в рабочем состоянии заключается в том, что высокая температура среды не всегда приводит к нагреву помещённого в неё объекта. Дело в том, что надо разделять высокую температу- ру и теплопередачу. Температура среды характеризует то, как быстро двигаются её частицы, тогда как теплопередача соответствует количеству энергии, которую они передают телу. Частицы могут двигаться очень быстро (высокая температура), но если их мало, они не смогут передать большое количество энергии (низкая теплопередача). Можно провести аналогию с горячей духовкой и кастрюлей кипящей воды. Если поместить руку внутрь духовки и внутрь кастрюли (ни в коем случае не пробуйте реализовать этот мысленный эксперимент!) и сравнить ощущения, то в духовке рука сможет выдержать су- щественно более высокую температуру на протяжении более долгого времени, потому что в воде рука будет взаимодействовать с гораздо существенно большим количеством частиц.
Корона, через которую будет пролетать зонд «Паркер», разогрета до невероятно высоких температур, но в то же время она сильно разрежена, и космический аппарат будет взаимодействовать лишь с небольшим количеством частиц. Согласно расчётам, двигаясь в плазме с температурой порядка нескольких миллионов градусов, зонд нагреется «всего» до 1400’С. Но и это очень высокая температура. Для сравнения: лава во время извержения вулкана достигает температуры от 700 до 1200 градусов.
Чтобы выдержать такой нагрев, зонд «Паркер» оборудован тепловым щитом. Его размеры составляют около 2,4 м в диаметре и 11,4 см в толщину. Под этим щитом сам аппарат должен сохранять температуру, близкую к комнатной: около 30°С. Термозащитная система напоминает сэндвич: слой пены из углеродных композитов зажат между двумя углеродными пластинами. Солнечная сторона покрыта белой керамической краской, которая должна отражать максимально возможное количество тепла. Тесты показывают, что система способна выдержать нагрев до 1650 град. С и должна защитить почти всё оборудование от Солнца. Термозащитная система — одна из технологий, которые сделали эту миссию возможной.
Когда зонд достигнет короны, он будет слишком далеко, чтобы можно было во время скорректировать его курс и ориентацию с Земли (сигналу потребуется около 8 минут, чтобы достичь адресата).
Поэтому он оборудован системой автоматической коррекции, чтобы сохранять аппарат в безопасности и на правильном курсе. Несколько небольших сенсоров (размером с половину мобильного телефона) размещено вдоль края тени, которую обеспечивает тепловой щит. Если какой-то из этих сенсоров зарегистрирует солнечный свет, сигнал поступит на центральный компьютер космического аппарата и тот на ходу скорректирует положение зонда так, чтобы все сенсоры и инструменты оставались в тени щита.
Впрочем, не всё оборудование собирается прятаться за тепловым щитом. Один из таких инструментов — цилиндр Фарадея (Solar Probe Cup). Этот сенсор будет измерять направление потоков ионов и электронов в солнечном ветре. Хотя цилиндр Фарадея — давно известный и широко распространённый физический прибор, в данном случае инженерам пришлось поломать голову, чтобы инструмент не только выжил в экстремальных условиях, но и чтобы его электронная начинка могла провести аккуратные измерения. Сам цилиндр сделан из сплава титана, циркония и молибдена с температурой плавления 2349°С. Чтобы проводка цилиндра не расплавилась на Солнце, инженеры вырастили сапфировые трубки (сапфир, оксид алюминия А12О3, плавится при 2040°С и имеет очень высокую твёрдость), внутри которых расположились провода из ниобия (температура плавления 2468 град. С). Этот цилиндр Фарадея тестировали с помощью высоко интенсивных прожекторов и ускорителя частиц, чтобы максимально близко воспроизвести условия солнечной короны. К удивлению разработчиков, прибор не только выдержал все тесты, но и стал лучше работать после них — скорее всего, излучение помогло избавиться от возможных загрязнений.
Зонд «Паркер» питается от солнечных батарей. По мере приближения к Солнцу они почти полностью спрячутся за термозащитной системой, но на близком расстоянии от звезды им нужна дополнительная защита, поэтому они оборудованы системой охлаждения. Она состоит из резервуара с охлаждающей жидкостью, насосов для её циркуляции, двух радиаторов и алюминиевых «плавников», увеличивающих эффективную площадь теплообмена. Система достаточно мощна, чтобы обеспечить прохладу в комнате среднего размера, и будет поддерживать рабочую температуру солнечных панелей и инструментов на борту зонда во время приближения к Солнцу. Любопытно, что жидкость, используемая в системе охлаждения, — это 3,7 л деионизированной воды. Конечно же, существует множество химических соединений, которые могли бы справиться с этой задачей, но мало какие из них способны оставаться жидкими при температурах от 10 до 125°С. Чтобы вода не закипала в «горячей» части этого диапазона, она будет находиться под давлением, что поднимет её точку кипения до 125°С.
Какая судьба постигнет этот амбициозный проект, мы узнаем через несколько лет. Но в случае успеха мы не только получим шанс ответить на несколько важных астрофизических вопросов, но и откроем новую эру в изучении Солнца. Ведь если зонд выдержит путешествие в солнечную корону, мы сможем отправить новые миссии за ещё более подробными данными, и через несколько десятков лет в том, чтобы отправить космический аппарат к Солнцу, не будет ничего особенного.
Источник: журнал «Наука и жизнь» №9 2018г.
