Исследователи готовятся к открытиям зонда Parker Solar Probe

Через несколько недель после того, как зонд Parker Solar Probe (PSP) приблизился к нашему Солнцу, на Землю стали регулярно передаваться научные данные об этой первой встрече. Это именно тот момент, который многие исследователи в области гелиофизики ожидали целыми годами. Теперь им приходится думать и ещё об одной, но уже приятной, проблеме: что они будут делать с такими невиданными ранее и уникальными данными, которые могут пролить свет на физику поведения нашего Солнца.

«Учёные ждали более 60 лет, чтобы такая миссия стала возможной. Гелиофизика — это наука об исследовании Солнца и того, как оно влияет на пространство вблизи Земли, вокруг других планет и всей Солнечной системы. Сейчас мы сосредоточены на исследовании тайн, которые может поведать нам солнечная корона”, — Никола Фокс, директор отдела гелиофизики в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне.

На этом изображении от комплекса WISPR показан корональный поток, наблюдаемый над восточной лимбом Солнца 8 ноября 2018 года. Корональные потоки — это структуры солнечного вещества в атмосфере Солнца, то есть его короны, которые обычно лежат в областях повышенной солнечной активности. Очень хорошо прослеживается его тонкая структура, по крайней мере, видны два луча. Зонд Parker Solar Probe был на расстоянии около 27 миллионов километров от поверхности Солнца во время съёмки. Яркий объект вблизи центра изображения — Меркурий, а темные пятна — результат коррекции фона. Источник: NASA/Naval Research Laboratory/Parker Solar Probe

С 31 октября по 11 ноября 2018 года зонд Parker Solar Probe совершил свою первую встречу с Солнцем — он быстро прошёл через наружную атмосферу Солнца (корону), собрав беспрецедентные данные с помощью набора из четырёх современных приборов.

Аппарат Parker Solar Probe назван в честь Юджина Паркера, физика, который самый первый, ещё в 1958 году, выдвинул теорию о существовании солнечного ветра — постоянного оттока вещества от Солнца.

«Это первая миссия НАСА, названная в честь ещё живущего человека. Революционная статья Юджина Паркера предсказала нагрев и расширение короны и существование солнечного ветра. Теперь, благодаря нашему аппарату, мы можем в реальности понять те процессы, которые отвечают за наличие постоянной подачи вещества к краю гелиосферы”.

Солнечный ветер, то есть отток вещества Солнца, наряду с единовременными извержениями, называемыми корональными выбросами массы, переносят магнитное поле Солнца через гелиосферу, создавая эффекты космической погоды на Землю и другие тела Солнечной системы. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center/Scientific Visualization Studio/Greg Shirah

Солнце оказывает влияние даже на очень далёкие тела Солнечной системы. Солнечный ветер, отток вещества от нашей звезды, заполняет внутреннюю часть нашей Солнечной системы, создавая пузырь, который обволакивает планеты и простирается далеко за орбиту Нептуна. Этот ветер содержит в себе заряженные частицы и другое вещество Солнца, несёт с собой магнитное поле звезды. Есть ещё и единовременные извержения солнечного материала, называемые корональными выбросами массы, которые также несут солнечное магнитное поле — и в обоих случаях этот намагниченный материал может взаимодействовать с естественным магнитным полем Земли и вызывать геомагнитные бури. Такие штормы могут вызвать безвредные сияния или даже опасные перебои в подаче электроэнергии, а другие виды солнечной активности могут вызвать проблемы связи, нарушить работу электроники спутников и даже подвергнуть опасности космонавтов, особенно находящихся за пределами защитного пузыря магнитного поля Земли.

Другие миры в нашей Солнечной системе испытывают свои собственные версии этих эффектов, а далеко за пределами планет солнечное вещество сталкивается с межзвёздной средой, которая заполняет пространство между звёздами. Взаимодействие в этой области играет роль в том, как часто высокоэнергетические галактические космические лучи проникают в нашу Солнечную систему. Все эти эффекты являются результатом взаимодействия сложных систем, но все они начинаются с Солнца, что делает критичным понимание фундаментальной физики, которая управляет деятельностью нашей звезды.

Эта анимация показывает фактические данные обсерватории STEREO-A, а также местоположение зонда Parker Solar Probe, когда он пролетал через внешнюю атмосферу Солнца во время своей первой фазы сближения с Солнцем в ноябре 2018 года. Источник: NASA/STEREO

Зонд Parker Solar Probe сконструирован для того чтобы попытаться ответить на три главных вопроса о физике Солнца. Во-первых, как его внешняя атмосфера, то есть корона, может нагреваться до температуры, которая примерно в 300 раз выше, чем температура видимой поверхности ниже? Во-вторых, как солнечный ветер так быстро разгоняется до высоких скоростей, которые мы наблюдаем? И, наконец, в-третьих, как некоторые из частиц Солнца способны улетать от него на скоростях, равных более половины скорости света?

«Этот зонд обеспечивает нас измерениями, которые необходимы для понимания солнечных явлений, которые озадачивали нас в течение десятилетий. Чтобы установить связь между этими явлениями, необходим локальный сбор проб солнечной короны и молодого солнечного ветра. Наш Parker Solar Probe делает именно это”, — Ноур Раоуафи, научный сотрудник проекта в Лаборатории прикладной физики Университета имени Джона Хопкинса.

Приборы аппарата разработаны таким образом, чтобы у исследователей была возможность рассматривать эти явления с такого ракурса, который ранее был невозможен. Всё это даст возможность сделать новые шаги в изучении солнечной атмосферы.

Например, камеры зонда, расположенные в наборе WISPR, позволят по-новому взглянуть на молодой солнечный ветер. Изображения он будет получать по мере того, как ветер будет эволюционировать и перемещаться через солнечную корону.

Набор IS?IS поможет учёным углубиться в причины ускорения энергетических сильных частиц. Сейчас теории расходятся в понимании того, как ускоряются частицы солнечной энергии в тонких ударно-волновых структурах, обычно управляемых быстрыми выбросами корональной массы. Измерение этих частиц, проводимые во время прохождения космического аппарата через такие волны, помогут пролить свет на эту проблему.

Parker Solar Probe позволит учёным по-новому посмотреть на Солнце, работая в соединении с другими обсерваториями. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center

Антенны электрического поля комплекта аппаратуры FIELDS космического аппарата могут улавливать радиовсплески, которые могли бы пролить свет на причины коронального нагрева.

Прибор Solar Probe Cup, который выставлен за пределы тепловой защиты космического аппарата и, поэтому, испытывает максимальное воздействие всей солнечной среды, измеряет тепловые свойства различных видов ионов в солнечном ветре. В сочетании с данными из набора FIELDS эти измерения могут помочь выявить то, как солнечный ветер нагревается и ускоряется. Научная группа также ожидает, что будет удивлена некоторым другими вещами, о которых они ничего ещё даже не знают.

«Мы не знаем, чего ожидать так близко к Солнцу, пока не получим данные, и мы, вероятно, увидим некоторые новые явления. Parker Solar Probe — исследовательская миссия, её потенциал для новых открытий огромен”.

Отчеты, переданные Parker Solar Probe, указывают на то, что во время первого сближения с Солнцем были получены отличные результаты, а сами данные начали передаваться на Землю уже 7 декабря. Из-за относительного положения зонда, Солнца и Земли и их взаимного влияния на радио передачу, некоторые научные данные от этого сближения останутся на борту аппарата до второй встречи с Солнцем в апреле 2019 года.

Команда инженеров миссии в сентябре 2018 года получила шанс провести лётные испытания приборов во время облёта Венеры. Зонд Parker Solar Probe совершил сближение с Венерой, которая, посредством гравитационного воздействия изменила траекторию орбиты аппарата ближе к Солнцу. И, хотя, в рамках миссии и не предполагалось изучать окружающую среду вокруг Венеры, приборы аппарата успешно записали данные, позволив учёным заранее оценить то, на что способны их приборы в суровых условиях космоса.

В качестве новейшего дополнения к флоту гелиофизических миссий, Parker Solar Probe уже работает в связке с многочисленными солнечными и гелиосферными исследовательскими спутниками, такими как обсерватория солнечной динамики SDO, обсерватория STEREO и Advanced Composition Explorer. В течение многих лет, если не сказать десятилетий, как в случае с некоторыми из этих обсерваторий, они тщательно изучали Солнце и исходящее из него вещество. Эти исследования полностью изменили представления о том, как мы видим нашу звезду. Но все они ограничены своими орбитами.

Даже когда Parker Solar Probe будет выявлять новую информацию, учёные, работающие с его данными, будут полагаться на остальную часть гелиофизического флота, чтобы поместить эти новые данные в общее представление о Солнце.

«Parker Solar Probe отправляется в регион, который мы никогда раньше не посещали. Между тем, издалека мы можем наблюдать корону Солнца, которая полностью влияет на сложную окружающую среду вокруг аппарата”, — Терри Кучера, исследователь физики Солнца из Центра космических полетов Годдарда.

Различные точки наблюдения этих обсерваторий должны положительно сказаться для точности наблюдений PSP. Пока SDO находится на геосинхронной околоземной орбите, в тоже время STEREO вращается вокруг Солнца на расстоянии чуть меньше чем одна астрономическая единица (одна астрономическая единица — среднее расстояние между Землей и Солнцем), что заставляет эту обсерватории двигаться немного быстрее, чем движется Земля. Это означает, что STEREO обычно наблюдает за Солнцем под другим углом, чем мы здесь, на Земле. А, наряду с измерениями PSP вблизи Солнца и практически всегда под другим углом, чем любой из других спутников, это даст учёным более полную картину того, как явления от нашей звезды изменяются и развиваются по мере их распространения в Солнечную систему.

«Миссия STEREO заключается в наблюдении гелиосферы из разных точек, а Parker Solar Probe является частью этой системы — он способен проводить измерения из таких областей, в которые раньше мы никак не могли попасть”.

Численные модели обеспечивают глобальное представление для интерпретации наблюдений аппарата. Эта анимация взята из модели, показывающей то, как солнечный ветер исходит из Солнца, с точки зрения инструмента WISPR на Parker Solar Probe. Источник: Predictive Science Inc.

Моделирование является еще одним важным инструментом для создания полной картины наблюдений PSP.

«Результаты нашего моделирования позволяют интерпретировать как локальные измерения in situ, то есть прямо на месте, с помощью таких приборов, как FIELDS и SWEAP, так и более глобальные, полученные с помощью WISPR», — Пит Райли, научный сотрудник Predictive Science Inc. в Сан-Диего, Калифорния.

Модели — хороший способ проверить теорию, лежащую в основе физики Солнца. Создав моделирование, основанное на определённом механизме для объяснения коронального нагрева — например, определенного вида плазменной волны, называемой Альвеновской волной, — учёные могут проверить предсказание модели по фактическим данным Parker Solar Probe, чтобы увидеть, совпадают ли они. Если это так, это означает, что основная теория действительно может объяснять то, что на самом деле происходит на Солнце.

«Мы добились большого успеха, предсказывая структуру солнечной короны во время полных солнечных затмений. Зонд Parker Solar Probe обеспечит беспрецедентные измерения которые наложат более точные ограничения на модели и теорию, которая включена в них”.

Зонд PSP вообще находится в уникальном положении, которое должно помочь улучшить многие модели. От части это из-за его рекордной скорости.

Солнце делает оборот вокруг своей оси раз в 27 дней для наблюдателя с Земли. Поэтому, солнечные структуры, которые оказывают влияние на большую часть его активности, двигаются вместе с ним. Это создает проблему для учёных, которые не всегда могут сказать, вызвана ли изменчивость, которую они видят, фактическими изменениями в данной области, производящей активность (временная вариация) или перераспределением солнечного вещества из новой области (пространственное вариация).

Для определённой части своей орбиты зонд Parker Solar Probe уже решил эту проблему. В определенные моменты аппарат перемещается так быстро что его скорость практически точно соответствует скорости вращения Солнца. Это означает, PSP как бы «колеблется» над одной зоной Солнца на короткий промежуток времени. Потому учёные могут быть уверены, что изменения в данных за этот период вызваны фактическими изменениями на Солнце, а не его вращением.

По информации НАСА.

Источник: www.theuniversetimes.ru