Solar Orbiter «откроет окно внутрь солнечной короны»

Солнце, наиболее наблюдаемый объект Солнечной системы с момента появления человека, отличается огромной сложностью, в связи с чем нам еще очень далеко до полного понимания его влияния на земную среду и воздействие на деятельность человека на орбите. Европейская миссия к Солнцу даст ответ на многие вопросы.

После нескольких десятилетий ожидания зонд Solar Orbiter отправится в небывалое путешествие у Солнцу. Проект был предложен в 2000 году и утвержден в 2011 году, а старт состоится 10 февраля этого года. Аппарат несет десять инструментов, которые позволят ему лучше понять поведение Солнца. Мы обсуждаем его с Миланом Максимовичем, астрофизиком и сотрудников Национального центра научных исследований, который принимал участие в проекте.

Запуск Solar Orbiter запланирован в ночь с 9 на 10 февраля с мыса Канаверал. Построенный Airbus зонд направится к Солнцу. После двух лет путешествия он выйдет на эллиптическую орбиту вокруг светила и проработает там по меньшей мере семь лет.

Солнце, привлекающий наибольшее внимание к себе объект солнечной системы с появления человека, отличается огромной сложностью, в связи с чем нам еще очень далеко до полного понимания его работы, от его влияния на земную среду до воздействия на деятельность человека на орбите. Несмотря на целый ряд научных программ, специалисты все еще не могут спрогнозировать его поведение. Как отмечает Милан Максимович (Milan Maksimovic), они осознали, что для улучшения знаний о «космической метеорологии и прогнозирования эффектов солнечной вариативности и деятельности» нужно «ближе посмотреть» на Солнце, то есть приблизиться к нему настолько, насколько позволяют технологии.

В августе 2018 года был запущен Solar Parker Probe для исследования короны, то есть малоизвестной атмосферы, откуда вырывается солнечный ветер. Сейчас Европейское космическое агентство и НАСА готовятся запустить Solar Orbiter, который должен установить «связь между происходящим на солнце и тем, что несет солнечный ветер», а также «углубить наши знания о солнце и внутренней гелиосфере».

После запуска зонд Solar Orbiter будет двигаться по эллиптической траектории вокруг Солнца, «приближаясь к нему до 42 миллионов километров». Аппарат будет находиться на большем расстоянии от светила, чем Solar Parker Probe, но они преследуют разные цели. Solar Parker Probe должен на месте исследовать внешнюю часть солнечной короны вплоть до начала гелиосферы, а Solar Orbiter сделает «ультрафиолетовые снимки солнечной короны с рекордным космическим разрешением (70 км/пиксель)». Кроме того, Solar Orbiter будет на постоянной основе проводить «исследования солнечного ветра, в частности при сближении с Solar Parker Probe». Это откроет для астрономов окно внутрь солнечной короны, откуда дует солнечный ветер, который омывает всю солнечную систему, и чье взаимодействие с нашей планетой определяет космическую метеорологию.

Зонд будет максимально сближаться с Солнцем раз в пять месяцев

Как и Solar Parker Probe, Solar Orbiter не будет постоянно находиться как можно ближе к Солнцу. Спутник будет осуществлять сближение с ним раз в пять месяцев. В этот момент он будет находиться всего в 42 миллионах километров от нашего светила, то есть ближе Меркурия. В период максимального приближения, когда аппарат будет двигаться с наибольшей скоростью, он будет в течение нескольких дней находиться примерно над одним регионом атмосферы, пока Солнце вращается вокруг своей оси. Другими словами, на какое-то время Solar Orbiter зависнет над солнцем, как это делают геостационарные метеорологические и телекоммуникационные спутники на земной орбите. В результате он сможет вести наблюдение за формированием бурь в атмосфере Солнца. Это создаст возможность для беспрецедентных наблюдений за магнитной активностью, которая сосредоточена в атмосфере и вызывает бури и вспышки.

Среди не дающих ученым покоя вопросов сроит отметить загадочный разогрев солнечной короны, который противоречит привычным правилам физики: при удалении от поверхности звезды или планеты температура должна снижаться. У Солнца же она повышается. Причем значительно. Температура поверхности светила составляет примерно 5 500 °C, но достигает «10 000 °C в хромосфере и более миллиона в короне, даже 2 миллионов в некоторых участках». Специалисты считают, что «необходимый перенос энергии может быть результатом колебаний магнитного поля и множества небольших выбросов, которые незаметны с Земли». Как бы то ни было, пока что все остается на уровне гипотез, поскольку «замеры Солнца с Земли и ее орбиты не позволяют развеять неопределенность».

Что касается Solar Orbiter, ученые убеждены, что «если данные не позволят объяснить механизм разогрева, они все же должны помочь отбросить некоторые теории» и оставить лишь небольшое число из них, в частности ту, что опирается на «присутствие в солнечной короне альвеновских волн, которые представляют собой значимый механизм переноса энергии». Вопрос альвеноских волн интересует также специалистов Solar Parker Probe, которые намереваются вести наблюдение с еще более близкого расстояния, когда зонд подойдет к Солнцу на 9 миллионов километров. Находящийся на большей дистанции Solar Orbiter, который обладает средствами дальней диагностики короны и инструментами замера солнечного ветра, сможет изучить тот же самый поток солнечного ветра, который достигнет его позиции несколько десятков часов спустя.

Максимальное приближение к Солнцу позволит наблюдать за солнечным ветром в его «молодом состоянии», что должно способствовать понимаю того, почему Солнце выбрасывает такое количество вещества (порядка 70 000 тонн в секунду), и какие механизмы ведут к ускорению солнечного ветра. «Он появляется в двух формах, медленной, в 300-400 км/с, и быстрой, до 600-800 км/с».

Кроме того, зонд должен помочь нам лучше понять механизмы солнечных вспышек, «почему они происходят, вызывающие их процессы, а также связанные с ними явления и вызываемые ими последствия», отмечает астрофизик Этьенн Париа. Solar Orbiter должен увидеть зарождение вспышек, что «позволит нам провести связь между тем, что происходит в этой области Солнца, и последствиями в гелиосфере и межпланетной среде». Что касается выбросов вещества короны, «которые могут оказывать сильнейшее воздействие на земную среду», Solar Orbiter должен позволить лучше «понять, как они формируются и перемещаются по солнечной системе».

Полюса Солнца

После первой фазы наблюдений на эллиптической орбите, которая займет примерно 4 года, Solar Orbiter «использует гравитационное поле Венеры и Земли, чтобы выйти с этой плоскости и приступить к наблюдениям Солнца и солнечного ветра на высоких широтах». Аппарат должен впервые сделать снимки полярных регионов Солнца. Кроме того, ожидаются важные данные о малоизученной магнитной среде этих зон, которые играют ключевую роль в 11-летнем солнечном цикле и регулярном появлении солнечных бурь. Это часть миссии будет посвящена «локальным гелиосейсмологическим замерам и наблюдениям за полярными дырами в короне, которые являются источником быстрого солнечного ветра».

Наконец, накопленная Solar Orbiter информация будет в перспективе полезна для других дисциплин, таких как экзобиология. Лучшее понимание солнечного ветра должно помочь разобраться с тем, как ветра других звезд взаимодействуют с окружающими их планетами и влияют на них, вплоть до изменения атмосферы и потенциального появления жизни.

Solar Orbiter несет 10 инструментов, которые распределены по двум категориям. Одни предназначены для спектрального анализа и создания снимков гелиосферы и короны, тогда как другие служат для замера плазмы. Один из уникальных инструментов зонда предназначен для анализа электромагнитного поля с разверткой по времени при помощи комплекса сенсоров и антенн для определения характеристик электромагнитных и электростатических волн в солнечном ветре.

Главные вопросы, на которые должна помочь ответить миссия:

— Как формируется магнитное поле и каково его воздействие на солнечную атмосферу?

— Каковы механизмы формирования солнечной короны и ветра?

— Какие физические процессы объясняют выбросы на Солнце?

— Почему температура короны может достигать более миллиона градусов по Кельвину, тогда как температура видимой поверхности составляет всего 6 000?

— Как плазма солнечного ветра разгоняется до сверхзвуковых скоростей почти в 1 000 км/с?