Грядущее десятилетие станет золотой эпохой в изучении Солнца: интервью с научным сотрудником миссии Parker Solar Probe

Доктор Нур Рауафи – тунисский астрофизик Лаборатории прикладной физики (APL) Университета Джона Хопкинса в Мэриленде и научный сотрудник миссии NASA Parker Solar Probe. Он является экспертом по многим вопросам, которые касаются исследований Солнца: от наблюдений за магнитным полем нашей звезды до изучения солнечного ветра и корональной активности светила.

Последние два года солнечный зонд “Паркер” передавал уникальные наборы данных, попутно ставя новые рекорды по близости работы к Солнцу и скорости перемещения в космическом пространстве. Во время своего последнего сближения зонд прошёл в 18,7 миллиона километров от нашей звезды, разогнавшись до 109 км/с (по состоянию на 25 сентября 2020 года Parker Solar Probe приблизился к Солнцу на 13,5 миллиона километров, при этом развив скорость в 129,6 км/с – прим. переводчика).

Как дела у аппарата Parker Solar Probe? Появились ли какие-то свежие новости, о которых нам стоит знать?

Зонд “Паркер” чувствует себя отлично. Аппарат сделал вокруг Солнца пять витков, на последнем из которых подобрался максимально близко к звезде. Был период продолжительностью в пять дней, в ходе которого зонд не мог отправить нам сигнал. Но по прошествии этого периода аппарат связался с нами: он исправен и продолжает выполнение своей миссии. С точки зрения науки его миссия просто потрясающая. С каждым новым приближением к Солнцу мы узнаем о нашем светиле что-то новое. Видим что-то, чего никогда раньше не видели.

В чём заключается главная загадка Солнца и его короны, которую астрономы так отчаянно пытаются разгадать, надеясь на помощь аппарата?

Существует несколько необычных явлений. Они были обнаружены несколько десятилетий назад и мы до сих пор не можем их объяснить. Более всего астрономов озадачивает проблема нагрева солнечной короны. Короной называют верхние слои атмосферы Солнца. По какой-то причине, она в 300 раз горячее поверхности звезды. Мы доподлинно знаем, что вся энергия, которая исходит от Солнца, генерируется внутри светила. Отсюда и возникает противоречие: источник энергии холоднее, чем окружающая его среда. Но зонд “Паркер” даёт нам некоторые подсказки относительно причин этого явления.

Ещё один феномен также связан с корональным нагревом. Это то, что мы называем ускорением солнечного ветра. Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц (электронов, протонов, ионизированного гелия и тяжёлых элементов), которые постоянно исходят от Солнца вглубь его системы. Проблема здесь состоит в том, что в солнечной атмосфере эти частицы двигаются довольно медленно. Но при удалении от светила они за очень короткое расстояние ускоряются до сотен километров в секунду. Точный физический механизм, который приводит к подобного рода ускорению, нам не известен.

Ну а третье необычное явление, с которым мы сталкиваемся каждый день – это взрывная активность Солнца. С каждой вспышкой или корональным выбросом массы возникает группа частиц, которые разгоняются практически до скорости света. Мы называем их частицами солнечной энергии.

Солнечный зонд “Паркер” был спроектирован таким образом, чтобы защитить научные приборы от тяжёлых условий околозвёздной среды. В чём заключается особенность конструкции теплозащитного экрана, который, будучи сравнительно лёгким, способен выдерживать высокие уровни излучения и температуры?

Теплозащитный экран аппарата в основном сделан из углеродной пены. Б?льшая часть его объёма – это пустота. Он напоминает углеродную губку, зажатую между двумя композитными панелями. Ещё одна особенность экрана заключается в нанесённом плазменным напылением специальном белом покрытии, единственной задачей которого является отражение солнечного света.

В 2024 году аппарат совершит наиболее близкий к Солнцу пролёт. В перигелии на обращённой к светилу стороне температура достигнет 1371 °С. На обратной стороне экрана, толщина которого составляет 11,5 сантиметров, будет примерно на тысячу градусов прохладнее, что само по себе уже большое достижение. Благодаря системе охлаждения находящиеся в задней части аппарата научные приборы будут работать примерно при комнатной температуре.

Какое влияние космическая погода и солнечный ветер оказывают на Землю?

Позвольте начать вот с чего. Как вам наверняка известно, сейчас ведутся работы по подготовке к новой экспедиции на Луну. Возможно, в ближайшем будущем, люди отправятся на Марс. Если мы действительно собираемся реализовать эти планы, то следует подумать о защите астронавтов. Нельзя просто отправить людей в космос в надежде на то, что они как-нибудь сами справятся. Если космические аппараты не будут обладать системой защиты, то опасному воздействию частиц солнечной энергии подвергнутся как люди, так и оборудование. На разных космических телах это воздействие будет различным.

Вот ещё один простой пример. Люди во многом полагаются на систему под названием GPS. Она работает, поскольку у нас есть несколько космических аппаратов, обращающихся вокруг Земли. Если на Солнце произойдёт серьёзная вспышка, часть из этих аппаратов попросту выйдет из строя. У нас возникнут кое-какие проблемы, поскольку GPS перестанет работать должным образом.

Другой пример влияния солнечной активности на Землю вам также наверняка известен. Речь идёт о корональном выбросе массы или вспышке, которая способна вызвать сильнейшую геомагнитную бурю. В этом случае электрические сети всего мира могут прекратить свою работу. Что будет иметь очень серьёзные последствия для экономики и общества в целом. Именно поэтому космическая погода сейчас является большой темой для исследований.

С момента запуска зонда “Паркер” прошло два года. Есть ли у вас какие-то любимые моменты или любимые результаты, связанные с этой миссией?

Их много. Один из моих любимых моментов связан с запуском аппарата. Я был далеко не самым счастливым человеком на Земле в тот момент, когда это происходило. Но теперь, оглядываясь назад, я испытываю лишь положительные эмоции. Мы ждали запуска зонда “Паркер” 60 лет. И 12 августа 2018 года мы установили этот аппарат под обтекатель одной из самых мощных в мире ракет. Я надеялся лишь на то, чтобы всё прошло гладко, и очень сильно нервничал во время старта. Но запуск оказался успешным.

И после этого мы обнаружили нечто совершенно удивительное. Спроектированный нами в Лаборатории прикладной физики аппарат работал намного лучше, чем мы смели ожидать. То, что выдаёт эта машина, – просто потрясно! Мы получаем в три или даже четыре раза больше научных данных, чем предполагалось. До запуска мы думали, что наша работа с научными приборами ограничится моментом калибровки после старта и моментами приближения зонда к Солнцу. Сейчас мы работаем с ними практически беспрерывно.

В настоящее время планируемая продолжительность миссии Parker Solar Probe составляет семь лет. Как вы думаете, аппарат сможет проработать десять лет или больше?

Если по прошествии семи лет с зондом всё будет в порядке, то мы незамедлительно подадим запрос на продление его миссии. За эти семь лет мы пройдём через половину солнечного цикла. Мы запустили зонд во время солнечного минимума, а к 2025 году подойдём к точке максимума солнечного цикла. Я бы хотел, чтобы зонд “Паркер” отработал весь цикл. От минимума до минимума. Это означает продление работы аппарата на 5-6 лет. Было бы здорово.

Можно ли использовать полученную зондом информацию для оценки особенностей других звёзд в галактике?

Вы хорошо подметили. Другие звёзды настолько далеки от нас, что мы не можем изучать их в той же степени, в которой изучаем Солнце. Ту информацию, которую мы получаем о нашем светиле от солнечного зонда “Паркер”, действительно можно проецировать на светила за пределами Солнечной системы. В том числе это касается данных об упомянутых нами выше необычных феноменах. И на то есть весомая причина.

А заключается она в том, что нам очень любопытно узнать побольше о планетах у других звёзд. Особенно это касается вопроса жизнепригодности. Взаимодействие звезды и планеты имеет решающее значение в вероятности обитаемости последней. Понимание того, как Солнце взаимодействует с планетами в своей системе, поможет выяснить, как аналогичные процессы происходят у других светил. В некотором смысле зонд “Паркер” является нашим посланником к звёздам, поскольку помогает нам лучше понять их.

В декабре 2019 года появились новости о публикации научных результатов первого года работы Parker Solar Probe. Не могли бы вы больше рассказать об этом?

Это было отличное время не только для команды проекта, но и для всех любителей астрономии. Для человечества. Облететь эту огромную звезду было задачей не из простых. С точки зрения науки это было потрясающе. Прежде чем ответить на вопрос, хочу сказать вот что: спустя несколько месяцев после нашего разговора вы увидите ещё одну волну научных открытий, сделанных с помощью зонда “Паркер”. Мы буквально недавно получили массив данных с четвёртого пролёта. Там есть несколько любопытных вещей, которые никто никогда раньше не наблюдал.

Возвращаясь к тому, что мы опубликовали в декабре, а затем в феврале в специальном выпуске Astrophysical Journal, можно сказать, что есть некоторое количество открытий, которые являются прорывными. Одно из них связано с тем, что мы называем “беспылевой зоной”.

Когда вы смотрите на гелиосферу, то видите пыль практически повсюду. Эта пыль исходит от разбросанных по всей Солнечной системе астероидов и комет. Но чем ближе к Солнцу, тем меньше становятся пылинки. В какой-то момент они испаряются и перестают существовать. Результатом этого должно являться наличие вокруг нашей звезды полностью свободной от пыли зоны. Это предположение было выдвинуто в 1929 году. Люди искали эту зону снова и снова, но ничего не находили. Аппарат Parker Solar Probe дал нам первые подсказки о её существовании.

Ещё одно открытие связано с основными целями миссии: решением загадок коронального нагрева и ускорения солнечного ветра. По сути, мы ищем источник энергии, который невозможно наблюдать с Земли. И зонд “Паркер” дал нам одно свидетельство его существования.

Когда аппарат подобрался ближе к Солнцу, то увидел в линиях магнитного поля звезды изгибы, которые возникали и пропадали за считанные минуты, принимая при этом S-образную форму. Их существования должно обуславливаться каким-то источником энергии. Именно его-то мы и ищем.

Тот факт, что эта миссия так хорошо себя проявляет, наверняка повлияет на то, каким будет следующий отправленный к Солнцу аппарат, и как он изменит наше представление о звезде.

Тут вы затронули больной вопрос. Давайте вернёмся в шестидесятые. Тогда существовал специальный комитет, предложивший три ключевых солнечных миссии, реализацией которых должно было заняться NASA. Одна из них подразумевала создание аппарата, который будет способен изучать Солнце не только с экватора, но и с полюсов. Эта концепция была реализована в рамках проекта Ulysses (“Улисс”), который уже завершён. Вторая миссия должна была заняться изучением Солнца с позиций внутри орбиты Меркурия. Это и есть зонд “Паркер”. Мы сделали это через 60 лет. Было сложно, но мы справились.

А вот третья миссия подразумевает отправку космического аппарата, который удалится от Солнца на очень большое расстояние. Мы уже работаем над этим. И не в последнюю очередь благодаря успеху Parker Solar Probe.

Наше сообщество теперь ведёт себя более уверенно. Если миссия зонда “Паркер” оказалась такой успешной, то почему бы не попробовать что-то ещё? Отправка аппарата для изучения Солнца во внешнюю часть системы может стоит свеч. Эта миссия чрезвычайно сложная, и мы уже начали работу над ней в Лаборатории прикладной физики. Надеемся, что однажды эта инициатива увидит свет.

Есть ещё одна любопытная идея: отправить зонд для длительного наблюдения полярных областей Солнца. Это также затея не из простых: вывести космический аппарат из плоскости эклиптики чрезвычайно сложно. Но, опять же, осознание успеха Parker Solar Probe заставляет учёных проявить смелость и начать думать над решением этих проблем.

Европейское космическое агентство (ЕКА) в сотрудничестве с NASA недавно запустило космический аппарат Solar Orbiter. Есть ли какие-либо планы по координации наблюдений зонда “Паркер” и Solar Orbiter?

Эти солнечные миссии могут во многом дополнять данные друг друга. Я могу сказать, что совместная работа этих двух аппаратов даст учёным (и всем остальным людям) гораздо больше, чем независимая.

Если добавить к этой парочке расположенный на Гавайях большой солнечный телескоп DKIST, то можно смело утверждать, что грядущее десятилетие станет золотой эпохой в изучении Солнца.

Не думаю, что мы когда-либо были свидетелями столь высокого энтузиазма относительно проектов по изучению нашей звезды. И уж точно нам никогда в истории не удавалось достичь столь высоких результатов за столь малый промежуток времени. Создать космический аппарат, который подобрался к Солнцу ближе, чем кто-либо из его предшественников. Реализовать миссию, которая способна сфотографировать солнечные полюса. И построить самый большой солнечный телескоп на Земле… Это просто невероятно!