Что будет если подлететь к солнцу
Ловец «коронарных зайчиков»: Долетевший до Солнца зонд «Паркер» взбудоражил учёных неожиданными данными
Изучение «солнечной короны» с помощью зонда открыло несколько тайн Вселенной, благодаря которым можно спрогнозировать влияние космической погоды на биосферу и всё живое на Земле.
Parker Solar Probe. Фото © NASA
Что такое «Паркер» и почему он отправился к Солнцу
В начале декабря специалисты NASA сделали одно из самых важных заявлений последних лет. Ещё 28 апреля 2021 года во время восьмого пролёта мимо Солнца зонд Parker Solar Probe столкнулся с «определёнными магнитными условиями и условиями для частиц на высоте 18,8 солнечного радиуса над поверхностью Солнца». Эти показания стали сигналом для учёных, что космический зонд, отправленный для изучения солнечной активности в космосе, впервые пересёк критическую поверхность Альвена и наконец вошёл в солнечную атмосферу.
Parker Solar Probe завершил испытания в космической среде. Фото © NASA
История с полётом на Солнце началась ещё в 1958 году. Тогда астрофизик Юджин Паркер, изучив многолетние результаты наблюдений за Солнцем, впервые предсказал существование так называемого солнечного ветра. По его мнению, поток ионизированных частиц мог напрямую влиять на жизнедеятельность всех организмов на Земле. Поначалу теорию Паркера забраковали как антинаучную, однако советские аппараты «Луна-1», отправленные в космос, подтвердили его догадки. С помощью установленного на аппаратах газового ионизационного детектора учёные выяснили, что «солнечный ветер» несёт в себе колоссальную энергию. Юджин Паркер продолжил исследования после получения своих данных и добился ощутимого прогресса. В августе 2018 года к единственной звезде в нашей системе стартовала миссия, названная в его честь, — Parker Solar Probe.
Целью запуска зонда с целой россыпью датчиков стало максимальное приближение к Солнцу. Подлететь к огромному горящему шару запланировали гораздо ближе, чем человечество могло до этого. Расшифровав данные, учёные смогут предугадать грядущие глобальные потрясения, и, быть может, человечество как-то успеет к ним подготовиться.
Parker оснащён современными приборами для измерения магнитного и электрического полей в гелиосфере, а также камерой, тепловым щитом и другой аппаратурой. Для прочности аппарат обшили углепластиковыми абляционными материалами, которые составили специальный тепловой щит в одиннадцать сантиметров толщиной. Он на длительное время позволяет «Паркеру» выдержать температуру до 1370 градусов по Цельсию — это значительно меньше, чем на поверхности звезды, но уже критично для некоторых видов космической техники.
Кроме того, датчики «Паркера» собрали и другие данные, которые пока непонятны учёным. На подлёте к Солнцу «Паркер» попал в солнечную энергетическую воронку. По своей структуре она похожа на гелиосферу, которая защищает Солнечную систему от внешнего космоса, однако ранее существование защитной оболочки у Солнца должным образом не изучалось. Теперь же учёным предстоит понять, сдерживает ли эта оболочка какое-то количество плазмы и температуры или выполняет сугубо декоративную роль.
Звонок на Землю: Необъяснимый сигнал из центра Галактики взволновал учёных
Зонд «Паркер» и таинственное излучение
Запуск Parker Solar Probe ракетой-носителем Delta IV Heavy с мыса Канаверал 12 августа 2018 года. Фото © Getty Images / Bill Ingalls / NASA
На сегодняшний день Parker — самый быстрый зонд в истории человечества. Сначала он разогнался до 343 000 км/ч, уже побив рекорд предшественника — зонда Hellios, а 21 ноября этого года и вовсе достиг фантастических 587 000 км/ч. В конце апреля зонд вошёл в намагниченную атмосферу Солнца, пересёк точку Альвена, пролёт за которую считается входом в атмосферу Солнца.
Во время этого манёвра учёным удалось сделать первые измерения, собрать образцы частиц и сделать предварительные выводы о магнитных полях, после чего важные для человечества данные попали в научный журнал Physical Review Letters. Это был восьмой пролёт аппарата из 24 запланированных. 8 ноября Parker передал на Землю новый сигнал, засвидетельствовав, что вся техника в норме. Две недели спустя состоялся десятый оборот аппарата вокруг Солнца, на сей раз Parker приблизился на восемь с половиной миллионов километров к Солнцу.
Помощник администратора управления научной миссии в штаб-квартире NASA Томас Зурбухен сказал, что это новая веха в истории человечества. Люди не только получат детальное представление об эволюции Солнца, но и смогут решить ранее существовавшие противоречия в изучении этой звезды. Так, например, у Солнца нет твёрдой поверхности, как у Земли, его атмосфера состоит из солнечного материала, который удерживается гравитацией и магнитными полями. Обнаружение на поверхности Альвены, которую пролетели в апреле, позволяет сделать детальные выводы о циклах солнечного ветра и влиянии Солнца на атмосферу.
В ходе полёта не обошлось без трудностей и мистики. Над поверхностью Солнца «Паркер» встретили «псевдостримеры»: массивные образования (их даже видят люди во время солнечных затмений) создали для зонда мощную тряску, сравнимую с серьёзной бурей на Земле. Но в этот момент «Паркер» передал учёным первую порцию непонятных данных: зонд просигналил учёным, что альвеновские волны (низкочастотные колебания, сопровождающие плазму) могут трясти любую космическую технику с огромной силой. Только жаропрочный щит «Паркера» и внутренняя система защиты от вибраций и колебаний позволили аппарату уцелеть.
Для астрофизиков это событие — повод задуматься: прежде считалось, что излучение звёзд в галактиках не способно в достаточной степени влиять на космические аппараты, пролетающие на огромном расстоянии. Остальную часть данных из атмосферы Солнца «Паркер» пока передать не может.
Parker «коснулся» звезды. Как можно приблизиться к Солнцу и не сгореть?
Американский зонд Parker Solar Probe долетел до Солнца и начал движение в его короне. Об этом сообщает NASA. Он стал первым в истории космическим аппаратом, который «коснулся» Солнца, побывав в верхних слоях его атмосферы.
Но как такое возможно? Неужели можно близко подлететь к горящей звезде, да ещё передавать оттуда какую-то информацию на Землю?
Аппарат-рекордсмен
«Впервые в истории космический аппарат прикоснулся к Солнцу. Зонд NASA Parker Solar Probe пролетел через верхние слои атмосферы Солнца — её корону, собрал данные о частицах солнечной энергии и его магнитных полях», — говорится в сообщении NASA.
В ведомстве отмечают, что это «новый крупный этап миссии и гигантский шаг в изучении Солнца». И даже сравнивают событие с высадкой человека на Луну: «Так же, как высадка на Луну позволила учёным понять, как она формировалась, так и прикосновение к веществу, из которого состоит Солнце, поможет получить важную информацию о ближайшей к нам звезде и её влиянии на Солнечную систему».
Зонд Parker Solar Probe, названный в честь американского астрофизика Юджина Паркера, был запущен 12 августа 2018 года с мыса Канаверал. В ноябре того же года он сблизился с Солнцем до расстояния 24 миллиона километров и передал первый сигнал на Землю.
В ходе своей миссии аппарат установил пару рекордов. Главный — он стал самым близким к Солнцу объектом из всех когда-либо созданных человеком. Предыдущий принадлежал зонду Hellios, который подлетел к Солнцу на расстояние 42 миллиона километров. Второй рекорд — скорость. Предыдущий показатель принадлежал тому же зонду Hellios и составлял 252 792 километра в час. Parker разогнался до 343 000, а затем и до 586 864 километров в час. Этот рекорд был поставлен недавно — 21 ноября 2021 года, во время десятого приближения аппарата к Солнцу. Расстояние до звезды тогда составило 8,5 миллионов километров.
Миссия Parker Solar Probe рассчитана на семь лет, за это время он должен совершить 24 сближения с Солнцем. Дело в том, что зонд движется по орбите, которая имеет форму эллипса, что даёт ему возможность отдаляться от звезды и вновь сближаться с ней. В будущем, говорят представители NASA, аппарат достигнет ещё более впечатляющих показателей. Следующий пролёт через солнечную корону ожидается в январе 2022 года.
Слишком «шумное» Солнце
Данные, полученные Parker, помогут метеорологам предсказывать важные изменения в космической погоде, которая влияет на Землю и на её обитателей (речь, например, о тех, кто чувствителен к геомагнитным бурям). Аппарат оснащён рядом инструментов, проводящих измерения магнитного и электрического поля в атмосфере Солнца.
«У зонда две основные задачи. Первая — наблюдения астрономическими (дистанционными) методами тех мелких деталей солнечной атмосферы, которые невозможно увидеть с орбиты Земли. Это важно для лучшего понимания того, как устроено Солнце, и для астрофизики в целом, — объясняет суть миссии руководитель лаборатории солнечного ветра Отдела физики космической плазмы Института космических исследований РАН, доктор физико-математических наук Юрий Ермолаев. — Вторая задача — измерить in situ (то есть локально, в точке нахождения космического аппарата) параметры солнечного ветра, истекающего из короны в межпланетное пространство, чтобы исключить те изменения параметров, которые происходят по мере его движения от Солнца до Земли. Эта задача важна для физики гелиосферы и предсказания космической погоды: солнечный ветер является основным агентом, влияющим на состояние верхних оболочек Земли, что представляет большой практический интерес».
Но как можно организовать передачу данных в условиях экстремальных температур и почему аппарат вообще не сгорит, находясь так близко к Солнцу? (Меркурий в самой близкой к Солнцу точке отстоит от него в 5 раз дальше, чем пролетел Parker.)
«Задача действительно сложная. Чтобы передавать данные с космического аппарата на приёмную станцию на Земле, мощность сигнала должна быть выше мощности шума, в данном случае выше мощности “шумящего” Солнца, — говорит Юрий Ермолаев. — Дело в том, что Солнце — это сильнейший источник электромагнитного излучения в широком диапазоне частот (сюда входит и привычный нам свет), а для наблюдателя около Земли, в том числе для приёмной станции, Parker Solar Probe находится на очень малом угловом расстоянии от центра Солнца. Принимать сигнал приходится на фоне сильного электромагнитного излучения Солнца, поэтому сигнал должен быть достаточно большой мощности, а приёмная антенна — иметь достаточно узкую апертуру.
Ещё более серьёзная задача — защита передатчика и всей научной аппаратуры от того потока тепла, которое переносят электромагнитное излучение Солнца и плазма солнечного ветра. Для решения этой технической проблемы используется специальный защитный экран, который, с одной стороны, защищает научную аппаратуру от перегрева, а с другой — позволяет проводить научные измерения и передачу данных в достаточно “комфортных условиях”».
Что обнаружил зонд Parker Solar Probe, подлетевший максимально близко к Солнцу
С начала 2019 года зонд Parker Solar Probe, запущенный НАСА для исследования Солнца, трижды подходил к звезде ближе, чем любой другой космический корабль. Во время максимального сближения расстояние между аппаратом и Солнцем составляло всего 15 млн км — примерно половина расстояния между Солнцем и Меркурием, а температура окружающей среды — около 1 000 °C. Теперь космическое агентство опубликовало четыре научных статьи с первыми результатами семилетней миссии. За неполный год работы Parker удалось выяснить, что солнечный ветер формируется иначе, чем считали ученые, — а также открыть несколько новых явлений в короне Солнца, которые с Земли зафиксировать было невозможно. «Хайтек» рассказывает, что ученые узнали из первых данных зонда и какое влияние это окажет на науку.
Читайте «Хайтек» в
Почему важно исследовать Солнце
Солнце — типичная звезда, каких много во Вселенной. Но, в отличие от других звезд, оно находится ближе всего к Земле — настолько близко, что наша планета в определенном смысле расположена внутри внешней части ее атмосферы.
Несмотря на значительное расстояние между нашей планетой и звездой, около 149 600 000 км, Землю постоянно омывает солнечный ветер — потоки ионизированного газа, которые формируются во внешней части солнечной атмосферы, так называемой короне.
От интенсивности солнечного ветра — космической погоды — зависят полярные сияния и стабильность магнитного поля Земли, возмущение которого может привести к возникновению помех в работе электронных приборов. Мощные вспышки в короне часто приводят к выходу из строя спутников и нарушению работы навигационных систем.
Солнечная активность влияет и на процесс эволюции разных форм жизни, а изучение звезды позволит понять механизм развития жизни на планетах в других системах. Если, конечно, жизнь существует где-то кроме Земли.
Несмотря на несколько столетий изучения, астрономам пока известно о Солнце относительно немного — например, ученые не знают, как именно ведет себя солнечный ветер в определенных ситуациях, какие процессы происходят в короне и что свидетельствует о начале ее активности. Изучение осложняется тем, что оно является крайне ярким объектом, температура на орбитах крайне высока, — поверхность разогрета более чем на 6 000 °C. Поэтому ни один исследовательский аппарат до сих пор не мог подойти к звезде достаточно близко, чтобы ее детально изучить.
Первым подобным аппаратом стал зонд Parker Solar Probe, оснащенный защитным керамическим экраном, способным выдержать температуру до 1 450 °C.
Процесс сближения Parker с Солнцем продлится в течение семи лет: за это время аппарат должен будет пройти 24 орбиты, постепенно приближаясь к центру нашей системы — в самой близкой точке он окажется на расстоянии всего около 6 млн км от звезды. Это самое маленькое расстояние, на которое когда-либо рукотворный аппарат подходил к Солнцу. Корабль также побьет рекорд самого быстро движущегося космического корабля относительно Солнца. Он достигнет скорости почти в 700 000 км/час к 2024 году, когда подойдет к звезде на расстояние 9-10 ее радиусов.
На борту находятся четыре научных эксперимента: Fields, который изучает электрические и магнитные поля; IS☉IS, измеряющий заряженные частицы высокой энергии в солнечном ветре и короне; WISPR — для исследования солнечного ветра и других структур; SWEAP, который измеряет состав различных типов частиц в солнечном ветре.
Что нового узнали ученые?
Сейчас Parker находится на расстоянии примерно в 24 млн км от Солнца — это ближе, чем среднее расстояние от звезды до Меркурия. Аппарат уже находится на меньшем расстоянии, чем рекордно близкая к звезде миссия «Гелиос-2», запущенная в 1976 году.
Зонд движется на максимальной скорости, которую когда-либо удавалось развить рукотворному аппарату — около 342,79 тыс. км/час. Аппарат уже отправил несколько пакетов данных на Землю — на их основе ученые из НАСА написали четыре научных статьи о поведении Солнца.
«Эта совершенно новая информация о том, как работает наша звезда, поможет нам понять, как Солнце меняет космическую среду во всей нашей Солнечной системе», — говорится в сообщении профессора Николя Фокса.
Формирование солнечного ветра
Parker уже дал ученым новые данные о движении солнечного ветра — оказалось, что он движется совершенно иначе, чем считалось. С помощью аппарата астрономы впервые увидели, как вблизи поверхности Солнца магнитное поле солнечного ветра меняется на 180°. Этот процесс за короткое время разгоняет потоки до гигантских скоростей — около 482,803 км/час.
Ученые полагают, что развороты магнитного поля, так называемые обратные переключения, играют решающую роль при нагреве солнечной короны. В их результате происходит короткая бомбардировка Земли очень быстрым потоком солнечного ветра — затем его скорость снижается до нормальных значений. Понимание этого процесса позволит уточнить прогнозы космической погоды — и обезопасить спутники и радиоприборы.
Пыль на ветру
Зонд также впервые обнаружил доказательство уменьшения частиц межпланетной пыли, которая заполняет Солнечную систему рядом со звездой. Этот эффект был предсказан теоретиками почти 100 лет назад, однако наблюдать его ученым до сих пор не удавалось.
Данные, собранные Parker, показали, что на расстоянии около 24 млн км от Солнца частицы космической пыли становятся меньше в размерах, а на расстоянии примерно в шесть радиусов звезды исчезают вовсе. Теория гласит, что частицы либо полность уничтожаются излучением, либо вылетают из этой области вместе с солнечным ветром.
При этом пока зона, полностью свободная от пыли, недоступна для непосредственных наблюдений зонда. Предполагается, что однозначно подтвердить ее существование удастся примерно через год — когда Parker подойдет еще ближе к звезде.
Солнечный ветер и вращение Солнца
С помощью инструмента SWEAP аппарат также подтвердил расчеты теоретиков о том, что вращение Солнца связано с солнечным ветром.
Большинство измерений солнечного ветра на сегодняшний день проводились на расстоянии в 90 млн км от Земли, где поток движется строго радиально. Поэтому понять, как именно солнечный ветер движется рядом с источником и на что влияет направление вращения, можно только непосредственно рядом с Солнцем.
Теперь Parker подтвердил, что рядом с источником солнечный ветер тесно связан с вращением звезды. При этом данные со SWEAP показали, что поток превращается в однородный ближе к Солнцу, чем предполагали теоретики.
Электрические частицы
Близкий подлет к звезде позволил зонду увидеть явления, которые слишком малы и кратковременны, чтобы их можно было наблюдать с Земли или с орбиты. Речь идет об энергетических вспышках в потоке солнечных частиц с необычно высоким уровнем тяжелых элементов.
«События, связанные с солнечными энергетическими частицами, важны — они могут возникать неожиданно и приводить к изменениям космической погоды. В частности, они могут причинить вред здоровью космонавтов. Поняв источники, ускорение и перенос солнечных энергетических частиц, мы сможем лучше защитить людей в космосе в будущем», — говорится в сообщении НАСА.
Что дальше?
Parker Solar Probe совершил полет по третьей научной орбите вокруг Солнца из 24 запланированных. Впереди у аппарата еще около 18 млн км — астрономы рассчитывают, что приближение к Солнцу позволит аппарату собрать достаточно данных, чтобы ответить на два главных вопроса.
Первый касается солнечного нейтрино — ученые пока не понимают, почему фактическое количество элементарных частиц, которые возникают в ядре Солнца в результате ядерных реакций, меньше предсказанного.
Второй вопрос связан с аномальной температурой солнечной короны — замеры показали, что она составляет более миллиона градусов Кельвина, тогда как поверхность звезды нагрета всего до 6 000 °C.
Космический аппарат впервые «прикоснулся» к Солнцу
Parker Solar Probe исследует солнечную активность в непосредственной близости от светила.
Иллюстрация NASA.
В 2018 году в космос был запущен космический аппарат NASA Parker Solar Probe, задача которого – исследовать казавшуюся неприступной атмосферу Солнца. Огненная корона нашего светила, казалось, сжигает всё на своём пути.
Через три года после запуска и спустя десятилетия после появления самой идеи отправить аппарат к Солнцу, «Паркер» наконец-то подобрался к светилу ближе, чем любой другой исследовательский аппарат.
Впервые в истории земной аппарат «коснулся» Солнца: аппарат НАСА пролетел через верхние слои атмосферы нашего светила — его корону — и проанализировал образцы вещества и магнитные поля в этой области.
Новая веха знаменует собой важный шаг для проекта Parker Solar Probe и гигантский скачок в изучении Солнца. Так же, как высадка на Луну позволила учёным понять, как образовалось это космическое тело, так прикосновение к самому веществу, из которого сделано Солнце, поможет учёным получить важную информацию о нашей звезде и её влиянии на Солнечную систему.
«Прикосновение к Солнцу с помощью зонда Parker Solar Probe – это монументальный момент для исследований Солнца и поистине выдающийся подвиг, – сообщает Томас Цурбухен (Thomas Zurbuchen), директор Управления научных миссий НАСА. – Эта веха не только даёт нам более глубокое понимание эволюции нашего Солнца и его влияния на Солнечную систему. Также и всё, что мы узнаём о нашей собственной звезде, даёт нам представление об огромном количестве звёзд в остальной Вселенной».
Поясним, что аппарат делает витки вокруг нашего светила, постепенно подлетая к нему всё ближе и ближе.
По мере приближения к солнечной поверхности «Паркер» позволяет учёным делать всё новые открытия. Другие космические аппараты не имели возможности предоставить астрономам столь важные и точные данные, так как они находились слишком далеко от светила.
Так, ранее зонд побывал внутри солнечного ветра — потока ионизированных частиц, выбрасываемых Солнцем, который может сильно влиять на жизнь на Земле.
В 2019 году «Паркер» обнаружил, что вблизи Солнца много магнитных зигзагообразных структур из солнечного ветра, называемых switchbacks. Но, как и где они образовались, оставалось загадкой для учёных.
С тех пор вдвое сократив расстояние до Солнца, солнечный зонд Parker прошёл достаточно близко, чтобы определить, по крайней мере, одно место, откуда они происходят: поверхность светила.
В отличие от Земли, у Солнца нет твёрдой поверхности. Но у него действительно есть перегретая атмосфера, состоящая из солнечного материала, привязанного к Солнцу гравитацией и магнитными полями. По мере роста температур и давления материал выбрасывается от Солнца. В определённой точке пространства гравитационные и магнитные поля становятся слишком слабыми, чтобы его удержать.
Эта точка, известная как критическая альфвеновская поверхность, знаменует конец солнечной атмосферы и начало солнечного ветра. Солнечный материал, обладающий достаточной энергией, чтобы пересечь эту границу, становится солнечным ветром, который, имея свой собственный заряд, увлекает за собой магнитное поле, двигаясь затем через всю Солнечную систему, к Земле и за её пределы.
До сих пор исследователи не знали, где именно находится критическая альфвеновская поверхность. Но, основываясь на изображениях короны, созданных с расстояния, исследователи рассчитали, что она находится в пределах от 10 до 20 солнечных радиусов (от 7 до 13,8 миллиона километров) от поверхности Солнца.
28 апреля 2021 года во время восьмого пролёта мимо Солнца приборы зонда Parker зафиксировали определённые магнитные условия и характеристики частиц, исходящих от Солнца, которые указали учёным на то, что аппарат пересёк критическую альфвеновскую поверхность и наконец впервые вошёл в солнечную атмосферу.
Это произошло на высоте 18,8 солнечных радиусов (около 13 миллионов километров) над поверхностью Солнца.
Во время пролёта Parker несколько раз входил в корону и выходил из неё. Это доказывает то, что предсказывали некоторые исследователи: критическая альфвеновская поверхность не имеет формы гладкого шара. Скорее, у неё есть «шипы и впадины», которые делают эту поверхность неровной.
В будущем определение мест, где эти выступы совпадают с солнечной активностью, исходящей от поверхности звезды, может помочь учёным узнать, как события на Солнце влияют на его атмосферу и солнечный ветер.
Добавим, что первый проход через корону, который длился всего несколько часов — один из многих, запланированных для миссии. «Паркер» продолжит свой полёт и в конечном итоге достигнет отметки 8,86 солнечного радиуса (6,1 миллиона километров) от поверхности светила.
Предстоящие облёты, следующее сближение призойдёт в январе 2022 года, вероятно, снова проведут Parker Solar Probe через корону.
Размер короны Солнца определяется солнечной активностью. По мере нарастания 11-летнего цикла активности Солнца внешний край короны будет расширяться, что даст солнечному зонду больше шансов пробыть внутри короны в течение более продолжительного времени.
«Это действительно важный регион, потому что мы думаем, что в нём потенциально могут быть задействованы все виды физики, – добавил ведущий автор исследования Джастин Каспер (Justin Kasper) из Мичиганского университета. – И теперь мы попадаем в эту область и, надеюсь, начнём наблюдать некоторые из этих физических свойств и проявлений».
Работа американских учёных с нынешними результатами исследования была опубликована в издании Physical Review Letters.
Ранее мы рассказывали о том, что учёным наконец удалось обнаружить на Солнце конвекционные потоки. Также мы писали о том, почему Солнце испускает потоки опаснейшей радиации, а ещё о том, как исследователи нашли следы солнечной активности в метеоритах, образовавшихся раньше нашей планеты.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим».