Итоги миссии АМС "УЛИСС". Четырёхмерная гелиосфера.

И.С. ВЕСЕЛОВСКИЙ, доктор физико-математических наук Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ

1 июля 2008 года официально завершена работа АМС "Улисс" ("Ulysses"; ESA, NASA) после 17 лет исследований Солнца и гелиосферы, однако она еще продолжает функционировать. Расчетный срок ее эксплуатации превышен в четыре раза (Земля и Вселенная, 1990, № 5, с. 92; 1991, № 1, с. 67-68; 1993, № 5; 1995, № 5, с. 51; 1996, № 3, с. 38-39; 2001, № 5, с. 26; 2003, № 1, с. 80-81; 2004, № 3, с. 17-18; 2007, № 5, с. 51-53; 2009, № 2, с. 81). Европейское космическое агентство создало АМС, половину научной аппаратуры и ее интегрирование, а также поддержало группу по управлению полетом в Лаборатории реактивного движения (JPL, NASA). NASA разработало несколько научных приборов и радиоактивный термоэлектрический генератор, осуществляло запуск, навигацию и слежение за полетом АМС с помощью системы антенн дальней космической связи, а также занималось обработкой информации. Основные научные задачи "Улисс" связаны с измерением физических характеристик приполярных областей Солнца. Двигаясь по гелиоцентрической орбите, станция помогла ученым лучше понять отличия в строении и динамике солнечного ветра и межпланетного магнитного поля в годы низкой и высокой солнечной активности. Напомним, что минимумы последних двух солнечных циклов наблюдались в 1996 году и 2009 году, а максимумы - в 1990 году и 2000 году. Мы теперь гораздо лучше знаем, как устроена гелиосфера и как она меняется со временем, что ценно для решения задач космической погоды. Полученная информация крайне важна для построения более точной динамической модели околосолнечного пространства и солнечного ветра с межпланетным магнитным полем. Впервые прямым способом наблюдались межзвездная пыль и нейтральные атомы гелия, проникающие из межзвездной среды внутрь Солнечной системы. В результате возникло новое представление о четырехмерной гелиосфере - это главный итог исследований АМС "Улисс".

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Одиссей, легендарный путешественник, герой бессмертной поэмы Гомера, не случайно стал олицетворением миссии "Улисс" (Улисс с лат. - Одиссей), ведь АМС "Улисс" оказалась беспримерным космическим путешественником. Это единственный космический аппарат, за 17 лет трижды облетевший вокруг Солнца над его полюсами. В обозримом будущем ничего подобного не планируется, так что миссию с полным правом можно назвать уникальной. Работа этой станции оказалась очень успешной и несколько раз продлевалась.

Основные характеристики АМС "Улисс": размеры - 3.2 х 3.3 х 2.1 м, стартовая масса - 366.7 кг, из них масса научной аппаратуры - 55 кг. Термоэлектрическая установка, работающая на плутонии-238, обеспечивала мощность 283 Вт, которая постепенно снижалась и в 2007 году составила 180 Вт. Запас топлива двигательной установки для маневров в начале миссии был 33.5 кг, в 2007 году его оставалось лишь около 6 кг. Скорость передачи информации доходила до 1024 бит/с. На станции успешно работала следующая научная аппаратура: векторный магнитометр с двумя датчиками, два прибора для измерения параметров солнечного ветра и его ионного состава, коронограф, спектроскоп и три прибора для измерения потоков энергичных заряженных частиц и космических лучей галактического, солнечного и межпланетного происхождения, регистратор пылевых частиц, комплексный плазменно-волновой и радиоволновой анализатор, а также прибор для регистрации рентгеновского излучения Солнца и всплесков космического гамма-излучения. Кроме того, проводился научный эксперимент по просвечиванию солнечной короны сигналами бортового радиопередатчика, принимавшимися на Земле.

Напомним, что работы по проекту "Улисс" начались в 1977 году, запуск АМС планировался на февраль 1983 года, но по различным причинам несколько раз откладывался и состоялся 6 октября 1990 года. Чтобы АМС могла выйти из плоскости эклиптики при старте с Земли, необходим очень мощный двигатель для уменьшения скорости ее орбитального движения (около 30 км/с). Поэтому станцию направили к Юпитеру, около которого 8 февраля 1992 года она выполнила гравитационный маневр, используя его мощное гравитационное поле как "пращу" для выброса из плоскости эклиптики и перехода на полярную околосолнечную орбиту с наклонением примерно 80°. После пролета вблизи Юпитера станция вышла на гелиоцентрическую орбиту с минимальным расстоянием от Солнца 1.3 а.е. (200 млн км) и максимальным расстоянием от Солнца 5.4 а.е. (810 млн км), период обращения - 6.2 года. 26 июня - 5 ноября 1994 года и 8 сентября 2000 года - 16 января 2001 года АМС дважды пролетела около южного полюса Солнца, 19 июня – 29 сентября 1995 года, 3 сентября - 12 декабря 2001 года и 30 ноября 2007 года - 15 марта 2008 года - над северным полюсом Солнца. 13 сентября 1994 года, 27 ноября 2000 года и 7 февраля 2007 года она достигала максимальной гелиографической широты (–80.2°) у южного полюса Солнца, а 31 июля 1995 года, 13 октября 2001 года и 14 января 2008 года - у северного (+80.2°). АМС "Улисс" пять раз пересекала плоскость эклиптики: 13 марта 1995 года, 9 мая 1998 года, 25 мая 2001 года, 14 июля 2004 года и в августе 2007 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Солнечный ветер

До запуска "Улисса" было известно два типа солнечного ветра - быстрый (600-700 км/с) и медленный (300-400 км/с). Это стало ясно уже в середине 1970-х годов после проведения прямых измерений в космосе и радиоастрономических наблюдений. Быстрый ветер истекает из корональных дыр, источники медленного солнечного ветра до сих пор не установлены. Благодаря измерениям, выполненным АМС, выяснилось, что быстрый солнечный ветер существует на всех фазах солнечного цикла и пропадает лишь в период максимума солнечной активности, когда исчезают полярные корональные дыры. Исследована гелиоширотная структура потоков солнечного ветра на всех фазах солнечного цикла. Переход от медленного ветра к быстрому в пространстве достаточно резкий, а средняя скорость солнечного ветра на высоких широтах близка к 750 км/с.


Размещение научной аппаратуры на АМС "Улисс": 1 - детектор космических лучей и солнечных частиц, 2 - блок для проведения эксперимента по радиозондированию короны, 3 - прибор для регистрации солнечного ветра, 4 - анализатор радио- и плазменных волн, 5-спектрометр ионного состава солнечного ветра, 6 - регистратор космической пыли, 7-прибор для измерения энергичных частиц, 8 - аппаратура для измерения межзвездного нейтрального газа, 9 - прибор для регистрации солнечного рентгеновского излучения и космических гамма-всплесков, 10 - датчик индукционного магнитометра, 11 - векторный гелиевый магнитометр, 12 - прибор для измерения спектров, состава и анизотропии потоков низкоэнергичных ионов и электронов. Рисунок NASA - ESA

В 1994-1995 годах, при первом облете полюсов Солнца, наблюдалась хорошо упорядоченная структура гелиосферы и солнечного ветра, характерная для симметричной короны в годы на спаде и около минимума солнечной активности. При втором облете, в 2000-2001 годах, структура стала неупорядоченной и очень динамичной, что свойственно максимуму цикла. В конце третьего облета, в феврале 2008 года, наблюдался необычайно слабый солнечный ветер с очень низкой плотностью и небольшим магнитным полем в гелиосфере. "Улисс" измерил параметры ударных волн и взаимодействующих потоков солнечного ветра разных скоростей на средних и высоких гелиоширотах. Впервые измерены плазма и магнитные поля в корональных выбросах массы вне плоскости эклиптики, уточнены сведения о космической погоде и радиационные условия в межпланетном пространстве. В итоге мы сейчас гораздо лучше представляем себе устройство и динамику гелиосферы. Теперь известны ее свойства в четырех измерениях: в зависимости от времени, расстояния до Солнца, гелиошироты и гелиодолготы.

Межпланетное магнитное поле

Линии межпланетного магнитного поля в гелиосфере на всех широтах образуют узор в виде спиралей Архимеда, закрученных в сторону против вращения Солнца, подобно струям воды из вращающегося шланга. Предполагалось, что есть значительные неоднородности полей на высоких широтах и они играют важную роль в данных областях. Исследования с помощью "Улисса" блестяще подтвердили это. Основные электрические токи, создающие магнитное поле в гелиосфере, сосредоточены в гелиосферном токовом слое. Они текут не на Солнце, а в самой гелиосфере. Установлено, что секторная структура гелиосферного магнитного поля устроена сложнее, чем думали ранее, она существует всегда, но сильно меняется в зависимости от фазы цикла солнечной активности. Радиальное магнитное поле в гелиосфере оказалось практически не зависящим от широты точки наблюдения в околосолнечном пространстве. Оно напоминает поле склеенных двух половинок магнитного монополя - это тонкий токовый слой, лежащий в плоскости магнитного экватора. Вместе с полем магнитного диполя Солнца получается картина, очень напоминающая вид солнечной короны в годы минимума активности.






Траектория движения АМС "Улисс"по гелиоцентрической орбите вне плоскости эклиптики. Показаны три оборота вокруг Солнца: а) 1993-1998 гг., б) 1999-2004 гг., в) 2002-2009 гг. Рисунок NASA - ESA

Радиальное магнитное поле в гелиосфере быстро убывает с увеличением расстояния от Солнца по квадратичному закону, тогда как азимутальное и меридиональное поля обратно пропорциональны первой степени расстояния. В силу этого радиальное поле преобладает во внутренней гелиосфере примерно до орбиты Земли, а за ее пределами главными становятся поперечные составляющие. Электрические токи, создающие магнитное поле, имеют наибольшую плотность в гелиосферном токовом слое. Линии электрического тока в гелиосферном токовом слое также образуют спирали, многократно обходящие вокруг Солнца вблизи него во внутренней гелиосфере и постепенно становящиеся радиальными во внешней гелиосфере. Такая спираль для токов всюду перпендикулярна линиям магнитного поля и называется гиперболической. Электрические токи, создающие магнитное поле в гелиосфере, сосредоточены в основном именно в ней и лишь частично связаны в данный момент с условиями на Солнце. Картина магнитного поля имеет вид спиралей с "дрожащими" и перепутывающимися линиями. Одни из них начинаются на Солнце и заканчиваются на нем, другие уходят в бесконечность, а третьи вовсе оказываются не связанными с Солнцем.

"Улисс" внес решающий вклад в понимание процессов переполюсовки магнитного поля в гелиосфере, которые происходят с периодом 22 года (цикл Хейла). Магнитный дипольный момент Солнца обращается с этим периодом в меридиональной плоскости светила. Таким образом, в одном солнечном минимуме диполь направлен на юг, а в следующем - на север, проходя через плоскость солнечного экватора в максимуме цикла. Итак, магнитный экватор Солнца близок к гелиографическому экватору лишь в годы около минимума активности, который наблюдается сейчас и сильно затянулся, став глубже нескольких предыдущих минимумов по всем параметрам.

Турбосфера вокруг Солнца

Полученные АМС "Улисс" сведения убедительно подтверждают представления о том, что солнечный ветер (расширяющаяся солнечная корона) возникает не только и не столько благодаря разогреву плазмы, сколько под непосредственным воздействием магнитных полей и электромагнитных сил, довольно беспорядочно ускоряющих течение плазмы. Газодинамические силы при этом играют важную роль, но они вовсе не главные и не единственные "двигатели" вещества, как думали еще совсем недавно. Высокоскоростные потоки солнечного ветра, вопреки этим представлениям, возникают не в горячих участках солнечной короны, а в холодных (корональные дыры). Быстрый солнечный ветер "дует" в гелиосфере почти всегда, исключая время около солнечного максимума, когда полярные корональные дыры исчезают. "Электромагнитные двигатели" для солнечного ветра оказались важнее "тепловых двигателей". Они состоят из множества деталей, объединенных в единый сложный механизм, который нуждается в изучении. В солнечном ветре температура, скорость, плотность и магнитное поле связаны между собой - это важный и принципиальный результат не только для физики Солнца, но и для всей астрофизики.

Течение вещества наружу зарождается и развивается в самых нижних слоях солнечной атмосферы сначала как турбулентное блуждание частиц плазмы вверх-вниз и во все стороны, постепенно становясь сверхзвуковым и сверхальвеновским радиальным потоком. Очень сложные и запутанные движения плазмы происходят вдоль и поперек магнитных трубок и петель, а также в пространстве между ними, всюду в атмосфере Солнца под действием градиентов газового давления, сил Ампера, инерции и вязкости. Существует определенная газодинамическая аналогия с течением газа из расширяющегося сопла (сопло Лаваля) с переходом через скорость звука, как в реактивных двигателях сверхзвуковых самолетов. Однако в плазме солнечного ветра дело обстоит сложнее из-за существования магнитного поля и еще одной характерной скорости распространения возмущений помимо скорости звука. Эта скорость носит имя ее открывателя Ханнеса Альвена (1908-1995), шведского ученого, лауреата Нобелевской премии. Величина этой скорости пропорциональна напряженности магнитного поля и обратно пропорциональна корню квадратному из плотности в отличие от скорости звука, которая пропорциональна корню квадратному из температуры газа. В короне Солнца обе эти величины "соревнуются друг с другом" и составляют сотни километров в секунду. Оболочка вокруг Солнца, в которой только еще зарождается солнечный ветер и хаотические движения первоначально преобладают над регулярным радиальным расширением, называется турбосферой. Она включает в себя отдельные участки солнечной короны, хромосферы и даже фотосферы, где скорости движения солнечного ветра обычно значительно ниже, но также иногда могут достигать сверхзвуковых и больше альвеновских значений.

В нижней части солнечной атмосферы (фотосфера и хромосфера) газовое давление больше магнитного давления. Здесь часто происходит столкновение частиц, так как велика плотность вещества. В верхней же части солнечной атмосферы (переходный слой, корона) магнитные силы преобладают над газовым давлением. Частицы там сталкиваются все реже и реже из-за уменьшения плотности вещества. Если суммарный перепад газового и магнитного давления окажется направленным наружу и превзойдет силу тяготения, удерживающую вещество вблизи звезды, то под действием этих сил начнется течение вещества от Солнца. В других местах на Солнце, наоборот, вещество с ускорением будет двигаться вниз или в сторону. Теперь именно так понимают процесс зарождения и ускорения солнечного ветра.

Ясно, что происхождение солнечного ветра тесно связано с отсутствием равновесия, неоднородностью и нестационарностью Солнца, наличием у него электромагнитных полей, сильных хаотических и волновых движений. Поэтому ламинарные и стационарные модели не в состоянии правильно описать все детали этого процесса. Картина того, как Солнце испускает поток плазмы с сильно переменными характеристиками, прояснилась после исследований, выполненных "Улиссом". Оказалось, что большие корональные дыры окаймляются гелиосферным токовым слоем, создающим секторную структуру гелиосферного магнитного поля. Установлена прямая связь между потоком вещества в солнечном ветре, магнитным потоком в корональных дырах и рентгеновской яркостью остального Солнца. Это указывает на еще более фундаментальные и глобальные связи на Солнце и в его атмосфере.

Энергичные частицы

Энергичные солнечные частицы интенсивно изучались только в плоскости эклиптики. Известно, что основным и наиболее мощным их источником являются вспышки и ударные волны, связанные с корональными выбросами вещества. Солнечная активность сильно привязана к зонам, где чаще всего появляются солнечные пятна, то есть к низким и средним широтам. Ускоренные в этих широтах на Солнце и в гелиосфере частицы, как показали данные "Улисса", достигают высокоширотных и полярных областей. В максимуме такие частицы присутствуют на всех гелиоширотах. Они удерживаются в своеобразных магнитных резервуарах во внутренней гелиосфере, достаточно медленно просачиваясь. Энергичные частицы существуют на всех фазах солнечного цикла, даже в самое спокойное время. Детали ускорительных процессов и удержания в резервуарах в настоящее время всесторонне исследуются.

Галактические космические лучи

До "Улисса" было известно, что галактические космические лучи, наблюдаемые вблизи плоскости эклиптики, подвержены воздействию солнечной активности. Об этом воздействии принято говорить как о "модуляции" галактических космических лучей. В максимуме солнечной активности проникновение галактических космических лучей в гелиосферу затруднено из-за более высокой напряженности в ней регулярных и хаотических магнитных полей, играющих роль своеобразной защиты и экрана. Частицы с достаточно низкой энергией при этом вовсе не могут проникать в гелиосферу. Существовало представление о том, что эта модуляция ослаблена или даже отсутствует в полярных участках гелиосферы, куда облегчен почти прямой, как думали, доступ галактических космических лучей. Основа этого представления - слишком упрощенная модель магнитного поля в гелиосфере, о которой уже говорилось. Оказалось, что распределение галактических космических лучей в гелиосфере в основном близко к сферически симметричному как в минимуме, так и в максимуме солнечной активности. Полная неожиданность для многих теоретиков, которые строили свои наивные модели! Тут же были предложены более подходящие модели. Суть объяснения состоит в том, что сильные неоднородности магнитного поля и волны с достаточно большой амплитудой на высоких широтах и в потоках солнечного ветра из полярных корональных дыр заранее не стоило сбрасывать со счетов.

Неожиданное и не до конца объясненное открытие - практически полное отсутствие гелиоширотного градиента в потоках космических лучей. Согласно господствовавшим ранее неправильным взглядам ожидалось, что при приближении к полюсам интенсивность галактических космических лучей будет сильно возрастать. Но это не так! Распределение практически постоянно по направлениям движения и почти не зависит от широты. Это говорит о несовершенстве упрощенных моделей, согласно которым поле над полюсом всегда должно быть близким к радиальному, а в целом к коническим спиралям вокруг Солнца. Такая модель была в последние десятилетия чуть ли не канонизирована, но она слишком груба и описывает в лучшем случае лишь сильно усредненную картину. В более совершенных моделях высокоширотной гелиосферы присутствует постоянно флуктуирующее поперечное магнитное поле, сравнимое с регулярным радиальным полем и даже превосходящее его на достаточно больших расстояниях от Солнца. Эффективное глобальное и усредненное по времени магнитное поле и в гелиосфере оказывается по порядку величины приблизительно одинаковым на всех сферических поверхностях, окружающих Солнце как вблизи от него в короне, так и на расстояниях порядка 100 а.е. вплоть до контакта с межзвездной средой. В качественном отношении явление понятно, но точной количественной теории модуляции космических лучей в гелиосфере пока не создано.


Гелиосфера - область пространства вокруг Солнца, где преобладает его влияние на космические магнитные поля и плазму. Рисунок NASA-ESA

Межзвездный газ и галактическое окружение

До "Улисса" имелись некоторые прямые и косвенные сведения о том, как межзвездный газ проникает в гелиосферу и каковы его свойства за ее пределами в ближайшем к нам и дальнем галактическом окружении. Эти сведения были получены ранее путем спектроскопических наблюдений с Земли и с других космических аппаратов и спутников. Они теперь значительно расширены. Выполнены прямые измерения вектора скорости, плотности и температуры нейтральных атомов межзвездного гелия, проводился анализ потоков этих атомов.

Сегодня мы знаем, как нейтральные атомы проникают в гелиосферу, как они там ионизуются солнечным ультрафиолетовым излучением и потоками солнечного ветра, как затем "подхватываются" и нагреваются в общем потоке, "нагружая" и тормозя его. Содержание межзвездных атомов (водород, гелий, кислород, азот, неон) было определено на основе наблюдений их ионизации и "подхвата" межзвездным магнитным полем.


Процесс возникновения и распада радиоактивных ядер галактических космических лучей

Параметры межзвездного ветра и магнитного поля по-прежнему известны с недостаточной точностью, однако они, по-видимому, позволяют думать о возможном существовании внешней головной ударной волны в потоке межзвездного ветра, налетающего на гелиосферу. Помимо "Улисса" здесь стоит вспомнить о "Вояджерах", которые в последние несколько лет достигли самых дальних участков гелиосферы, где также зафиксировали торможение солнечного ветра и образование в нем оконечной ударной волны, ограничивающей область сверхзвукового течения (Земля и Вселенная, 2005, № 4). Природа ожидавшихся и вновь обнаруженных ударных волн сейчас тщательно исследуется. С этой целью в сентябре 2008 года запустили научный ИСЗ "Айбекс" ("IBEX", США; Земля и Вселенная, 2009, № 2).

Межзвездная пыль

Основные сведения о межзвездной пыли до сих пор получали, исследуя поглощение излучения звезд в межзвездной среде. До полета "Улисса" полагали, что мелкие межзвездные пылинки не проникают в гелиосферу. Приборы станции обнаружили потоки межзвездной пыли, движущейся в том же направлении и с той же скоростью, что и нейтральный газ. Электрически заряженные мелкие пылинки межзвездного происхождения существуют в гелиосфере. Крупные пылинки массой, превосходящей в 30 раз ожидавшуюся, составляют около 2% всей межзвездной массы.

Изотопы в галактических космических лучах

Измерение относительного содержания изотопов в галактических космических лучах подтверждает сценарий, согласно которому они, прежде чем оказались в Солнечной системе, большую часть времени находились в относительно разреженных областях галактического гало, а не диска. По соотношению изотопов алюминия-26 и алюминия-27 типичное время их жизни оценивается в 20 млн лет, что сравнимо со временем распространения этих изотопов из центра Галактики. Среднее время распада радиоактивного изотопа алюминия-26 - около 9 млн лет - оказалось удобным "маркером".

Плазменные и магнитные разрезы гелиосферы по широте на разных фазах цикла солнечной активности. Фото

Измерение относительного содержания изотопов гелия-3 и гелия-4 в настоящую эпоху в межзвездном газе рассматривается как дополнительная поддержка известного сценария образования происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. Ранее подобные заключения делались на основании относительного содержания дейтерия. Однако, по мнению автора, эта интерпретация не является вполне однозначной и окончательной, так как она основана на ряде предположений, требующих проверки.

Некоторые уроки

На АМС "Улисс" не было приборов для фотографирования Солнца, хотя предлагалось установить на ней фотокамеры. Можно не сомневаться в том, что фотографии, запечатлевшие Солнце с полюсов, могли бы войти в учебники и энциклопедии. Пока же мы только догадываемся, как это выглядит на самом деле. Упущена такая хорошая возможность, и не скоро она может представиться вновь. Очень жаль... Современных портативных и легких цифровых электронных фотоаппаратов тогда еще не было, а для массивных не оказалось места на станции. Приоритет при конкурсном рассмотрении отдали приборам для прямых измерений. Тем не менее это решение было чисто субъективным и не вполне оправданным. С этим теперь согласны и некоторые ученые, исследовавшие Солнце на АМС "Улисс".

Вид Солнца и его короны с полюсов, безусловно, был бы наиболее запоминающейся и яркой "визитной карточкой" проекта. Сейчас же такой "визитной карточкой" АМС "Улисс" служат плазменные и магнитные разрезы гелиосферы по широте в минимуме и максимуме солнечной активности, показывающие результаты измерений скорости солнечного ветра (в км/с) и направления межпланетного магнитного поля. Измерения проводились в 1994— 2008 годах, в течение которых станция совершила три оборота вокруг Солнца.

Напомним, что первые панорамные фотоснимки поверхности Луны, вошедшие в историю, получены с использованием всего лишь "одного пикселя" и механического сканирования широкого поля зрения с помощью системы зеркал на советском посадочном аппарате АМС "Луна-9" (Земля и Вселенная, 2006, № 2, с. 89-91). Одновременно с "Улиссом" работали и будут продолжать работать другие космические аппараты для исследования Солнца и гелиосферы, ведется обработка получаемой информации.

"Улисс" продолжает передавать сигналы по малоинформативному каналу связи, быстрый радиоканал вышел из строя в начале 2008 года. Миссия официально завершена 1 июля 2008 года из-за недостаточной выработки энергии, необходимой для поддержания ориентации аппарата на Землю. 12 июня 2008 года в штаб-квартире ESA в Париже состоялась пресс- конференция, на которой научные руководители миссии Эдвард Смит (Лаборатория реактивного движения, NASA) и Ричард Марсден (ESA) подвели ее итоги. Автор благодарен им за полезные научные дискуссии и предоставление некоторых иллюстративных материалов, а Э. Смиту - за обсуждение ряда вопросов, возникших при написании этой статьи.