солнечных вспышек. Последние представляют собой явления меньшего масштаба по сравнению с корональными выбросами, но скорость движения их излучения равна скорости света, поэтому солнечные вспышки могут достигать Земли менее чем за восемь минут.
Магнитное поле Солнца проходит полный цикл активности периодически, через регулярные промежутки в одиннадцать земных лет, от состояния, которое называется солнечный максимум, когда солнечные пятна, вспышки и корональные выбросы случаются часто, к солнечному минимуму, когда Солнце относительно спокойно. Этот регулярный ритм остается неизменным многие тысячелетия, и, опять же, ученые бьются над тем, чтобы полностью понять его природу и причины.
Свидетельством того, что Солнце распространяет свое влияние на всю Солнечную систему, является тот факт, что горячая корона нашей звезды непрерывно растекается в пространстве, создавая то, что называется солнечным ветром, – поток заряженных частиц, который продолжает двигаться до расстояния, в сто раз превышающего расстояние между Землей и Солнцем, – в этом месте за самыми дальними окраинами Солнечной системы находится область под названием гелиопауза. Она похожа на колоссальных размеров пузырь, сформированный солнечным ветром – гелиосферой, – и является самой большой слитной структурой в Солнечной системе.
Астрономам известно, что срок существования звезд наподобие нашего Солнца составляет от 9 до 10 млрд лет. Сейчас возраст Солнца 4,6 млрд лет, и, значит, оно в самом расцвете сил, и пройдет еще целых 5 млрд лет до того момента, как оно начнет умирать, расширяясь и превращаясь в красный гигант.
Как работает SDO
Бо́льшую часть времени Солнце предстает для нас неизменным и одинаковым. Оно движется по нашим небесам каждый день, и мы не особенно задумываемся о нем. Нам известно, что Солнце отвечает за жизнь на Земле и очень сильно влияет на нас, однако с ним все еще связано много неразгаданных тайн. Мы не знаем точно, что происходит внутри Солнца или как энергия запасается и высвобождается в солнечной атмосфере. Мы также не вполне понимаем, почему случаются такие явления, как солнечные вспышки или корональные выбросы массы.
Solar Dynamics Observatory помогает нам понять природу Солнца, ведя наблюдения за светилом в больших и малых масштабах, а также расширяя диапазон наблюдений в спектральные области, где излучение невидимо человеческому глазу.
Одна из конкретных научных задач SDO – решение вопроса о том, как возникает магнитное поле Солнца, какова его структура и как именно запасенная в нем магнитная энергия переходит в другие формы и высвобождается в космос, превращаясь в солнечный ветер и потоки энергичных частиц. Определить, что является движущей силой магнитного поля, критически важно для понимания того, как Солнце влияет на Землю и всю остальную Солнечную систему.
День запуска: 11 февраля 2010 года
Я находилась в Космическом центре имени Кеннеди во Флориде. Рядом со мной стояла группа ученых, среди которых был Дин Песнелл, научный руководитель проекта SDO из Центра космических полетов имени Годдарда. Вместе мы с нетерпением ждали, когда SDO устремится в небо, уносимый ракетой Atlas. Ежась в своих пиджаках в это солнечное, но неуютно прохладное флоридское утро, Песнелл и коллеги обсуждали своего «малыша», который был бережно припрятан под головной обтекатель ракеты.
Размеры спутника Solar Dynamics Observatory составляют 4,5 м в высоту и 2 м в ширину, и ему предстояло попасть на орбиту, которую называют наклонной геосинхронной с высшей точкой 36 000 км над Землей. Там космический аппарат сможет проводить постоянные наблюдения за Солнцем, одновременно оставаясь на орбите, согласованной с вращением Земли.
Таким образом, SDO находится над одной и той же долготой на поверхности нашей планеты, причем эта долгота совпадает с координатой центра приема данных в Уайт Сэндз в американском штате Нью-Мексико. Поскольку SDO производит громадные объемы данных, поток которых более чем в 50 раз превышает поток данных от любого аппарата NASA в прошлом, на борту SDO не хранится ничего: вместо этого данные сразу же и непрерывно сбрасываются на единственную выделенную наземную станцию.
Нэнси Аткинсон берет интервью у Мадхулики (Лики) Гухатхакурты, ученой из штаб-квартиры NASA, работающей по программе SDO, а в это время сам космический аппарат в составе ракеты-носителя вывозят на Стартовый комплекс № 41 базы «Мыс Канаверал». Февраль 2010 года. Фото размещается с любезного разрешения Ромео Дюршера
– У SDO есть несколько усовершенствований по сравнению с аппаратом, работавшим по предыдущему проекту, – говорит Песнелл. – Во-первых, мы поставили улучшенные камеры. Каждая вдвое больше, чем самая лучшая камера, которая до этого момента летала в космос, и у нас их шесть штук. Размер матрицы составляет 4000 на 4000 пикселей, то есть каждая камера работает с 16 млн пикселей.
Он объяснил мне, почему так важно наблюдать полный диск Солнца в высоком разрешении:
– Если вы видите, как что-то происходит, то вы говорите: «О, вот это круто, это я хочу детально изучить!» Потом вы можете увеличить изображение и работать с мелкими деталями или, наоборот, расширить поле зрения, чтобы увидеть общую картину.
Но самое важное, по словам Песнелла, что этот спутник фотографирует часто, очень часто.
– До SDO самое лучшее, чего кто-либо мог добиться от космических научных аппаратов, – это съемка полного диска Солнца примерно каждые три минуты, а мы готовимся делать фото раз в десять секунд, – говорит он. – Таким образом мы сможем различить то, что сейчас происходит слишком быстро, и поэтому мы такие явления не замечаем. Это как если бы мы смотрели на вершины гор и совсем не видели бы долин между ними.
Также Solar Dynamics Observatory изучает количество энергии, излучаемое солнцем, и типы света, невидимые человеческому глазу, такие как ультрафиолетовое излучение.
Вид солнечного диска в мае 2012 года, когда на его краю можно было заметить множество протуберанцев. Этот снимок Солнца был сделан обсерваторией SDO в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Источник: NASA / Центр космических полетов имени Годдарда
– Это очень короткие волны, – поясняет Песнелл, – которые поглощаются в верхних слоях земной атмосферы, заставляя ее разогреваться и расширяться. Этот эффект может служить помехой околоземным спутникам и заставлять их сходить с орбиты. В предыдущих программах съемки ультрафиолетовое свечение Солнца в крайнем диапазоне фотографировалось раз в 90 минут, а мы будем его наблюдать каждые 10 секунд.
Схема расположения научных инструментов на борту Solar Dynamics Observatory (SDO). Источник: NASA
Загадочное магнитное поле тоже стало предметом изучения.
– Наша цель – понять жизненный цикл магнитного поля, – говорит Песнелл. – Солнечные магнитные поля являются причиной всего происходящего, и мы хотим знать, откуда они берутся, как попадают на поверхность и как именно затем преобразуются в солнечную активность.
Дин Песнелл с улыбкой подытоживает:
– Мы увидим очень много всего нового и многому научимся.
Согласно конструкторскому замыслу, на борту SDO находятся три научных инструмента, которые должны работать совместно. Один из них измеряет магнитное поле Солнца, другой – все то, что магнитное поле делает, а третий выполняет регистрацию и измерения тех эффектов, которые в результате возникают здесь, в окрестностях Земли.
Запуск космического аппарата SDO на ракете, стартующей с Пускового комплекса № 41 на базе ВВС США «Мыс Канаверал» 11 февраля 2010 года. Источник: NASA
Эти инструменты таковы.
Гелиосейсмический и магнитный формирователь изображений[61] строит карту магнитного поля Солнца и может заглянуть под его непрозрачную поверхность, используя аналог ультразвуковой эхолокации, которая применяется геофизиками на Земле. Инструмент расшифровывает физическую картину происходящих на Солнце процессов, показывая нам, из каких источников рождается магнитное поле и как оно выглядит на поверхности.
Когда ракета с Solar Dynamics Observatory на борту (яркая полоса в правом нижнем углу фотографии) покинула пусковой комплекс на мысе Канаверал 11 февраля 2010 года, эксперты в области оптики, наблюдавшие за стартом, открыли новую разновидность ледяного гало. Источник: NASA / Центр космических полетов имени Годдарда / Энн Кослоски
Комплекс солнечно-атмосферной съемки[62] представляет собой группу из четырех телескопов, специально созданных для фотографирования поверхности и атмосферы Солнца. Спектральный охват инструмента распространяется на десять различных длин волн или цветов, выбранных так, чтобы наилучшим образом раскрывать ключевые аспекты солнечной активности. Снимки, которые выполняет AIA, показывают детали, ранее не виданные учеными.
Эксперимент по исследованию вариаций в крайнем ультрафиолете[63] измеряет флюктуации в излучательной способности Солнца. Ультрафиолетовое излучение оказывает прямое и мощное воздействие на верхние слои атмосферы Земли, нагревая ее, заставляя расширяться и разбивая в ней на части атомы и молекулы. Оборудование EVE поможет исследователям понять, насколько быстро изменяется светимость Солнца на этих длинах электромагнитных волн.
Научный руководитель проекта Дин Песнелл, рассказывающий о процессе запуска аппарата. Источник: Нэнси Аткинсон
Запуск SDO в тот февральский день был успешным – и великолепным! Ко всему прочему, оказалось, что, начав свой полет, аппарат SDO помог сделать новое открытие в атмосфере Земли. Удивленные зрители вблизи стартовой площадки увидели, как ракета Atlas пролетела сквозь ложное солнце, или паргелий