На геостационарную орбиту отправилась обсерватория SDO. За время работы она должна убедить всех, что Солнце — переменная звезда, а заодно утопить астрономов в данных. Последние будут храниться в России, Бельгии и США.
текст: Артём Тунцов/Infox.ru
видео: W.Feimer/C.Smith/HTSI/GSFC/NASA
В четверг в 18.23 мск после серии больших и малых переносов с космодрома на мысе Канаверал успешно стартовала ракета-носитель Atlas V. Задача запуска — вывести на геостационарную орбиту новую солнечную обсерваторию SDO.
Хуже беременной
Астрономы иногда шутят, что заниматься физикой Солнца – все равно, что пытаться угодить беременной. Бегал по всему городу, искал новогвинейский банан, принес его – а она уже хочет осетринки. Перерыл весь интернет в поисках любимой, но очень редкой сонаты Моцарта – а ей уже подавай Михаила Круга. Нашел, послушал – «не-а, не хочу».
Так же и с Солнцем. Только-только ученым покажется, что они разобрались с природой пятен, построили модель плазменного динамо в недрах, выяснили, как меняется активность и когда ждать ее очередного обострения – и на тебе, на Солнце без предупреждения происходит грандиозная вспышка. Или, наоборот, оно вдруг замирает, не обращая никакого внимания на составленное астрономами расписание, предписывающее светилу покрываться пятнами.
Все его трещинки
Причина такого раздражающего поведения, конечно, не в какой-то особой зловредности Солнца в сравнении с другими звездами, физику которых, мы вроде как понимаем. Просто другие звезды далеко, а Солнце рядом, и оттого мы видим все его тончайшие детали и замечаем малейшие капризы. Теория, претендующая на полноту описания, должна объяснить все наблюдения – а вот их в случае с Солнцем хоть завались. Как шутят те же астрономы, «какую бы ты теорию Солнца ни выдумал, уже есть данные, которые ее опровергают».
Вместе с тем и игнорировать капризы светила, по меньшей мере, недальновидно. Оно не просто дает нам свет, тепло и всю энергию – за исключением разве что атомной. Солнце определяет всю космическую погоду в околоземном пространстве, а многие ученые даже думают, что его активность заметно влияет и на погоду земную.
Более того, иногда невнимание к Солнцу по-настоящему опасно. Солнечные вспышки могут представлять серьезную угрозу здоровью космонавтов на Международной космической станции, создавать угрозу спутниковой навигации и космической связи. Особо сильные выбросы заряженных частиц способны даже вывести из строя протяженные линии электропередачи за счет возмущений в магнитном поле Земли. Такое в истории случалось. И ущерб от самого знаменитого подобного случая измерялся миллионами канадских долларов.
Так что исследовать Солнце, пытаться понять, как оно устроено, и предсказывать, что оно нам готовит, приходится. Хочется нам этого или нет.
Солнце в динамике
Когда объяснить имеющиеся наблюдения существующими теориями не получается, в науке есть лишь один рецепт – получать новые данные.
В неистребимой надежде, что уж они-то раскроют теоретикам глаза и заставят создать модель, которая не будет смотреть на факты, как баран на новые ворота. Видимо, в случае с Солнцем тоже нужен какой-то качественный скачок.
Благодаря запущенной сегодня в космос Обсерватории динамики Солнца SDO (англ. Solar Dynamics Observatory) у ученых должны появиться именно такие, качественно иные данные. Новый спутник, поднявшийся с космодрома на мысе Канаверал с помощью ракеты Atlas V, предназначен для исследований Солнца именно как живой, меняющейся звезды.
свет
делится на несколько диапазонов в соответствии с частотой или длиной волны колебаний электромагнитного поля: радио-, микроволновое, инфракрасное, оптическое (видимое), ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение. Каждый из этих диапазонов, в свою очередь, делят на поддиапазоны, цвета или полосы.
В течение пяти лет без перерывов она должна каждые десять секунд строить точнейшую карту поверхности светила в нескольких спектральных диапазонах, измерять быстро меняющийся поток жесткого ультрафиолета от Солнца и следить за переплетающимися линиями магнитного поля, конфигурация которого постоянно меняется. Обсерватория даже сможет заглянуть в недра ближайшей к Земле звезды и попробовать понять, как изменения на глубине влияют на внешние проявления солнечной активности.
«Из того, на что способен такой инструмент, его создатели, конечно, выжали максимум», – оценил SDO в разговоре с корреспондентом Infox.ru ведущий научный сотрудник Физического института РАН им. Лебедева Сергей Богачев. По его мнению, появление этой обсерватории очень своевременно: ее «предшественник по прямой линии» — космический аппарат SOHO «уже, конечно, морально устарел». А российский «Коронас-Фотон», в число создателей которого входит Богачев, пока не работает. И у ученых остается все меньше надежд, что следующее купание в солнечных лучах сможет зарядить аккумуляторы до уровня, при котором спутник заработает вновь.
Разбивая по слоям
У SDO три основных научных прибора. Первый – это AIA (англ. Atmospheric Imaging Assembly), сборка для (получения) изображений атмосферы (Солнца). По сути, AIA – целая батарея из четырех похожих телескопов, которые будут видеть наше светило одновременно в десяти цветовых каналах. Впрочем, из десяти «цветов» лишь один относится к видимому свету, да и тот – белый, предназначенный для получения изображений фотосферы во всем оптическом диапазоне.
Остальные девять работают в ультрафиолетовом диапазоне, от среднего до дальнего и экстремального ультрафиолета. Каждый из них чувствителен к ультрафиолету определенной энергии, соответствующей разным температурам и, соответственно, разным слоям солнечной атмосферы, температура которой растет с высотой. Большая часть фильтров отвечает линиям ионов железа разной степени ионизации, а также ионам гелия и углерода.
Благодаря AIA солнечная обсерватория сможет каждые десять секунд получать «цветные» изображения Солнца с непревзойденным качеством, каждый снимок записывается с разрешением в 16 мегапикселей. Это качество примерно того же уровня, что показывают нам в кинотеатрах IMAX. Каждому пикселю соответствует разрешение примерно в 0,6 угловой секунды, что проецируется примерно в 400 километров на поверхности Солнца.
По словам Сергея Богачева, серьезным недостатком этих камер является сравнительно небольшое поле зрения. То есть диск Солнца они видят целиком и хорошо, но вот атмосферу, в которой и происходит все самое интересное в плане вспышек и выбросов вещества, AIA просматривает на очень небольшую высоту.
Чем дышат окрестности Земли
диапазон
занимает область электромагнитного спектра с длиной волны от примерно 400 нм до 10 нм, что соответствует частотам, измеряющимся в единицах и десятках петагерц, и энергиям фотонов от нескольких эВ до примерно 100 эВ.
Диапазон делят на ближний УФ (300−400 нм), средний УФ (200−300 нм), дальний УФ (122−200 нм) и экстремальный УФ (10−122 нм). Резкая граница между экстремальным и дальним УФ соответствует резонансной линии в спектре водорода, соответствующей переходу электрона со второго на первый энергетический уровень (121,6 нм).
Второй инструмент – это EVE (англ. Extreme ultraviolet Variability Experiment), эксперимент по [изучению] переменности в экстремальном ультрафиолете. Этот прибор должен измерять полный поток ультрафиолетовых (и даже рентгеновских) фотонов от Солнца в диапазоне длин волн от 105 нм до 0,1 нм. Разрешать каких-то деталей на поверхности Солнца прибор не сможет, зато каждые 10 секунд он будет выдавать подробнейший спектр светила и даже по отдельности считать приходящие от него фотоны самых высоких энергий (с длиной волны от 0,1 нм до 7 нм).
Именно в экстремальном ультрафиолете Солнце исключительно переменно. Его яркость здесь может меняться в сотни и тысячи раз, и если бы наши глаза могли видеть этот диапазон, никаких вопросов о переменности ближайшей звезды у нас бы не возникало. Но наши глаза экстремального УФ не видят, да он до поверхности Земли и не доходит – к счастью, потому что в противном случае несколько часов на пляже заканчивались бы для нас смертельной лучевой болезнью.
Тем не менее именно экстремальный ультрафиолет определяет температуру внешних слоев земной атмосферы и может значительно нагревать их, заставляя расширяться и тормозить движение низколетящих спутников. Кроме того, те же самые фотоны ответственны за диссоциацию молекул и ионизацию атомов в ионосфере, которая очень сильно влияет на радиосвязь и своей непредсказуемостью постоянно портит жизнь радиоастрономам, пытающимся уловить слабые радиоволны из глубины Вселенной.
Сплетение линий, нутряная дрожь
Третий прибор на борту SDO позволит разглядеть основную причину всей многообразной активности – постоянно меняющуюся конфигурацию магнитных полей на Солнце, а также заглянуть в его недра с помощью сейсмических волн, которые из-за вспышек и мелких взрывов на его поверхности непрерывно зондируют нашу звезду. Этот инструмент носит название HMI (англ. Helioseismic and Magnetic Imager).
HMI в некотором смысле подобен AIA, но наблюдает всего одну линию, да и то не самую заметную в спектре Солнца. Это линия нейтрального никеля с длиной волны 676,8 нм, в которой HMI будет снимать Солнце с тем же пространственным разрешением, что и AIA, и с временным разрешением примерно в 1 минуту. Зато в каждом из 16 миллионов пикселей HMI сможет измерить профиль этой спектральной линии и четыре параметра Стокса, определяющих поляризацию света.
свойство
Электромагнитное излучение представляет собой поперечную волну, в которой колеблющиеся величины (электрическое и магнитное поле) изменяются перпендикулярно направлению распространения волны. Ориентацию плоскости, в которой лежит один из этих векторов, называют направлением поляризации света. Естественный свет представляет собой смесь волн, поляризованных в разных направлениях, и чтобы полностью охарактеризовать состояние его поляризации, нужно задать четыре параметра: полную амплитуду волны, степень поляризации в двух независимых направлениях и фазовый сдвиг между волнами, идущими в этих направлениях. Можно использовать и независимые комбинации этих четырех параметров, самой удобной из которых считается четверка параметров Стокса (I, U, V, Q).
Благодаря измерению поляризации света ученые смогут восстановить направление и силу магнитного поля в каждом элементе поверхности и проследить, как закручены линии индукции поля по всему солнечному диску и в его окрестностях. А измерение профиля позволит определить, с какой скоростью движутся разные точки на поверхности Солнца, и тем самым восстановить полную картину его колебаний, вращений и подрагиваний. Дальше методами сравнительно молодой науки астросейсмологии можно более или менее уверенно восстановить распределение плотности, температуры и прочих параметров на глубине в сотни тысяч километров от поверхности звезды.
Шире круг
При том объеме данных, которые получает каждый из трех инструментов, и той скорости, с которой они обновляются, справиться с обработкой всей информации на орбите смог бы лишь очень мощный компьютер. На спутниках же – зачастую это шокирует – обычно летают очень скромные вычислительные машины, быстродействие которых соответствует уровню настольных компьютеров 5−10−летней давности. Основная причина тому — большое энергопотребление самой-самой новой техники, не проверенной к тому же временем на надежность и отсутствие капризов. А машина уровня 486−го процессора с данными AIA, EVE и HMI не справится.
Эту проблему разработчики SDO решили простым, но весьма необычным для космических обсерваторий образом – SDO отправилась на геостационарную орбиту, откуда будет непрерывно передавать на Землю все полученные данные, не обрабатывая их. Для этого в американском штате Нью-Мексико даже построена специальная станция космической связи, которая будет связана с одной лишь обсерваторией SDO. Сам космический аппарат, соответственно, висит над экватором примерно на долготе этой станции, так что из России, к примеру, его никогда не увидишь.
Впрочем, это не значит, что из России нельзя будет пользоваться его данными. Solar Dynamics Observartory – открытый проект, все данные с которого будут сходу доступны любому ученому, способному разобраться в потоке необработанной информации. Судя по всему, в России откроется и зеркальный центр данных SDO, к которому отечественным астрономам и их коллегам из соседних стран обращаться будет проще и быстрее, чем к основному центру в американском Кембридже; к тому же это несколько разгрузит американский центр данных от запросов пользователей. Второй такой зеркальный центр находится в Брюсселе и предназначен в первую очередь для европейских исследователей.
По словам Сергея Богачева, российский центр должен не только хранить все данные, полученные с SDO за последние несколько месяцев (больше, чем на несколько месяцев, кстати, имеющихся объемов хранения информации не хватает). Ученые надеются также автоматически выбирать самые ценные данные, которые поступят уже на вечное хранение – своего рода «избранное» от SDO.
«Это будет очень полезно для наших исследователей, которые испытывают нехватку данных в связи с отказом «Коронаса-Фотона», отметил российский исследователь в интервью Infox.ru.
Надо отметить, что ширина канала связи, который получила обсерватория SDO, – нечто небывалое для исследовательских спутников. Каждую секунду космический аппарат будет передавать на Земли 16 мегабайт информации. Аппарат, обошедшийся американским налогоплательщикам больше чем в $800 млн, должен проработать на орбите минимум 5 лет. Ученые надеются за это время проследить взлет активности Солнца от слишком затянувшегося минимума до максимума очередного, 24−го, цикла.
За это время SDO должна отправить на Землю около 2,5 петабайта информации, в которых астрономам и придется разбираться. Но даже при полном успехе проекта никто из них не скажет, что данных о Солнце у нас слишком много.