Солнце начинает выдавать свои тщательно охраняемые секреты.
Получены первые научные результаты с солнечного зонда НАСА «Паркер», который долетел до Солнца быстрее всех прочих рукотворных объектов в истории и приблизился на самое малое расстояние.
Первые данные с борта «Паркера», опубликованные сегодня в четырех сообщениях на сайте журнала «Нейче» (Nature), позволили приподнять завесу тайны над нашей звездой, которая хранила свои секреты очень ревностно и надежно, хотя и является самым ярким светилом на нашем небосводе.
«Эти сообщения показывают, что попав в неисследованный регион солнечной системы, зонд «Паркер» уже совершил величайшее открытие, — написал в сопроводительной заметке в рубрике «Новости и мнения» в том же номере журнала Дэниел Вершарен (Daniel Verscharen), работающий исследователем в космической лаборатории Малларда при Лондонском университетском колледже. Сам Вершарен в новых исследованиях не участвует.
Поцеловать Солнце
«Паркер» отправился в космос в августе 2018 года, чтобы помочь ученым лучше понять механизмы работы и устройство Солнца. Стоимость программы составила полтора миллиарда долларов.
Больше всего ученые хотят разгадать две давние загадки. Как непрерывно летящий прочь от Солнца поток частиц под названием солнечный ветер разгоняется до колоссальных скоростей? И почему внешняя атмосфера Солнца корона имеет более высокую температуру, чем его поверхность? (Температура огненной короны Солнца может достигать 1,1 миллиона градусов Цельсия. А температура солнечной поверхности по сравнению с ней ничтожна — 6 000 градусов Цельсия.)
«Паркер» ищет ответы на эти вопросы, беспардонно вторгаясь в пределы короны. Раз в пять месяцев или около того зонд пронзает испепеляющую атмосферу Солнца, делая беспрецедентные по своей близости снимки нашей звезды.
Во время таких сближений, которые называют прохождением перигелия, зонд будет находиться на расстоянии 24 миллиона километров от солнечной поверхности. До этого полета минимальное расстояние сближения исследовательских аппаратов с Солнцем составляло 42,73 миллиона километров. Этот подвиг в 1976 году совершил космический аппарат «Гелиос-2», отправленный в полет совместными усилиями США и бывшей Западной Германии.
«Гелиос-2» также поставил рекорд скорости относительно Солнца, которая достигла 246 960 километров в час. Затем этот рекорд побила межпланетная станция НАСА «Юнона», сделав это на подлете к газовому гиганту Юпитеру в июле 2016 года, когда ей удалось развить скорость 265 000 километров в час. Но «Паркер» на сегодня является неоспоримым рекордсменом. Во время первого прохождения перигелия 6 ноября 2018 года мощная солнечная гравитация ускорила аппарат до максимальной скорости 343 181 километр в час.
Условия в области короны экстремальные, и поэтому «Паркер» оснащен мощной защитной термоброней. Это щит из углепластика толщиной 11,4 сантиметра, защищающий зонд и четыре его научных прибора от сильнейшей жары и радиации.
К аппаратуре «Паркера» относится прибор для измерения электрического и магнитного полей и волн (Fields), прибор для исследования электронов, протонов и тяжелых ионов, которые разгоняются до огромных скоростей в атмосфере Солнца и за ее пределами (ISoIS), набор телескопов для наблюдения за короной и окружающей ее средой (WISPR), а также аппарат SWEAP, изучающий самые распространенные элементы солнечного ветра, такие как электроны, протоны и ионы гелия.
В новых журнальных статьях говорится о том, что удалось увидеть во время первых двух сближений с Солнцем, которые имели место в ноябре 2018 и в апреле 2019 года.
Выявление источника «медленного» солнечного ветра
В ходе одного исследования с помощью прибора Fields удалось получить данные о «медленном» солнечном ветре. Это составная часть потока, скорость которой никогда не превышает 1,8 миллиона км/час. «Медленный» в данном случае понятие относительное, потому что «быстрый» солнечный ветер мчится со скоростью в два раза быстрее.
Ученым уже известно, что быстрый солнечный ветер рождается в крупных «дырах» короны, как называют участки, где внешняя атмосфера значительно холоднее и тоньше нормальных значений. Находятся они возле солнечных полюсов. Полученные с помощью прибора Fields данные указывают на то, что и медленный ветер исходит из дыр в короне, но эти дыры меньшего размера и находятся возле солнечного экватора.
Fields также обнаружил неожиданные изменения направления солнечного магнитного поля, идущего мимо зонда. Иногда это поле меняло направление на 180 градусов, но уже через несколько секунд или минут поворачивало обратно.
«Наверное, такие переключения связаны с некими струями плазмы, — отметил в своем сообщении руководитель исследований Fields профессор Стюарт Бейл (Stuart Bale), преподающий физику в Калифорнийском университете Беркли. — У меня такое чувство, что эти переключения, или струи, играют важную роль в нагревании солнечного ветра».
Между тем, данные, полученные прибором SWEAP, указывают на то, что эти развороты являются «подвижными изгибами S-образной формы в силовых линиях поля, исходящего от Солнца», и что такие переключения направления увеличивают скорость солнечного ветра.
Данные ISoIS помогают конкретизировать возникающую картину. Они показывают, что у солнечных частиц высокой энергии уходит больше времени на то, чтобы долететь до «Паркера», чем ученые думали ранее. Возможно, это вызвано тем, что они движутся вдоль S-образных силовых линий, имея неожиданную траекторию.
ISoIS также зафиксировал множественные взрывы (вспышки) частиц, которые невозможно заметить с помощью наземных приборов. «Это поразительно — даже при минимальных солнечных условиях Солнце производит гораздо больше крошечных энергетических событий, чем мы думали раньше», — отметил Дэвид Маккомас (David McComas) из Принстонского университета, являющийся ведущим автором одного из новых исследований. (Солнечная активность убывает и усиливается в течение 11-летнего цикла, и в настоящее время наша звезда находится в относительно спокойной фазе.)
«Эти измерения помогут нам определить источники, ускорение и методы движения солнечных частиц высокой энергии, и в конечном итоге лучше защитить спутники и астронавтов в будущем», — отметил Маккомас.
А прибор WISPR создает более четкую картину Солнца, короны и сложного, постоянно бурлящего непосредственного окружения нашей звезды. Снимки этого прибора помогают комплексно и в надлежащем контексте оценивать информацию, собранную другой аппаратурой, а также делать определенные выводы на основании самих изображений.
Например, в четвертом научном сообщении говорится о том, что снимки WISPR указывают на наличие свободных от пыли зон вблизи Солнца. Эти зоны не зафиксированы непосредственно, но их существование теоретически допускается. «Детальные изображения с „Паркера" указывают на пространственные изменения в солнечном ветре, которые соответствуют изменениям в солнечном магнитном поле на поверхности, и показывают, что небольшие сгустки плазмы выбрасываются с Солнца и становятся составной частью молодого солнечного ветра», — написал Вершарен.
Лучшее впереди
Ответы на вопросы о солнечном ветре найдены лишь частично, и пока неясно, почему корона нагревается так сильно (хотя новые результаты позволяют сделать некоторые интригующие догадки). Однако у команды «Паркера» достаточно времени, чтобы уточнить детали, так как опубликованные недавно результаты — это только начало. Космический зонд продолжит исследование Солнца вплоть до конца 2025 года, подбираясь все ближе и ближе к его поверхности благодаря гравитационному воздействию Венеры на его траекторию.
Например, завершающая научная орбита «Паркера» будет проходить всего в 6,16 миллиона километров от солнечной поверхности, а скорость зонда в этот момент будет составлять 690 000 км/час.
Такие сближения в будущем будут происходить все чаще, потому что орбита «Паркера» вокруг Солнца будет сокращаться. Сейчас зонд обращается вокруг нашей звезды примерно за 150 земных дней, а к концу полета это время уменьшится до 88 дней.
Продолжительность полета позволит ученым изучить Солнце на разных этапах его 11-летнего цикла активности. Таким образом, сближающийся с нашим светилом зонд должен собрать много интересных данных, изучением которых исследователи будут заниматься долгое время.
«Есть надежда, что данные с „Паркера" будут определять наши представления о Солнце и солнечном ветре долгие годы, — написал Вершарен. — Сделанные зондом открытия подтолкнут ученых к созданию новых моделей и теорий, и эти знания можно будет применить к другим звездам и астрофизической плазме из самых разных уголков Вселенной».