В августе 2018 года зонд НАСА Parker Solar Probe отправился в своё космическое путешествие. Сам процесс его перелёта к Солнцу стал историческим и рекордным, так, например, этот аппарат вскоре стал самым близким к нашей звезде космическим зондом.
С помощью новейших научных приборов, предназначенных специально для измерения окружающей среды вокруг космического аппарата, Parker Solar Probe завершил 3 из 24 запланированных витков сквозь никогда ранее не исследованные части атмосферы Солнца – её корону. И вот, как результат этой сложной работы – выход 4 декабря 2019 года четырёх статей в журнале Nature, описывающих то, что учёные узнали из этого поистине беспрецедентного исследования нашей звезды.
Эти открытия предоставили совершенно новую информацию о поведении вещества и частиц этого вещества, которые вылетают из Солнца, приближая учёных к ответу на фундаментальные вопросы о физике нашей звезды. Так, например, в стремлении защитить космонавтов и приборы в космосе от вредного воздействия, информация от Parker Solar Probe о том, как Солнце постоянно выбрасывает вещество и энергию, поможет учёным переписать модели, которые мы используем, чтобы понять и предсказать космическую погоду вокруг нашей планеты и понять процесс, посредством которого создаются и развиваются звёзды.
“Эти первые данные от зонда показывают нашу звезду, Солнце, с новой и удивительной стороны. Наблюдение нашей звезды вблизи, а не с гораздо большего расстояния, даёт нам беспрецедентный взгляд на важные солнечные явления и то, как они влияют на нас на Земле. У нас появляются идеи, имеющие отношение к пониманию активных звёзд в галактиках. Это только начало наступления невероятно захватывающего времени для гелиофизики, Parker Solar Probe будет в авангарде новых открытий”, – Томас Зурбухен, заместитель руководителя по науке в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне.
Хотя здесь, на Земле, оно может показаться нам спокойным, на самом деле Солнце вовсе не спокойно. Наша звезда проявляет себя посредством магнитной активности, формируя мощные вспышки света, высвобождая потоки частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, и миллиарды тонн облаков намагниченного материала. Вся эта деятельность влияет на нашу планету через проникновение разрушительных частиц в пространство орбит, где располагаются наши спутники и пилотируемые аппараты, нарушая связь и навигационные сигналы, а при очень интенсивных вспышках — вызывая перебои в подаче электроэнергии. Это происходит на протяжении всей жизни Солнца, возраст которого равен около пяти миллиардов лет, и будет продолжать оказывать влияние на судьбы Земли и других планет в нашей Солнечной системе в будущем.
“Солнце привлекало человечество на протяжении всего нашего существования. За последние несколько десятилетий мы многое узнали о нашей звезде, но нам действительно нужен был аппарат, подобный Parker Solar Probe, способный войти в атмосферу Солнца. Только там мы сможем по-настоящему узнать подробности сложных солнечных процессов. И то, что мы уже узнали только лишь на этих трёх солнечных орбитах, изменило многое из того, что мы знаем о Солнце”, – Нур Рауафи, научный сотрудник проекта Parker Solar Probe из Лаборатории прикладной физики имени Джона Хопкинса в Лореле, которая создала и продолжает управлять этой миссией.
То, что происходит на Солнце, имеет решающее значение для понимания того, как оно формирует пространство вокруг нас. Большая часть вещества, которое исходит от Солнца, является частью солнечного ветра – постоянного потока солнечного материала, который омывает всю Солнечную систему. Этот ионизированный газ, называемый плазмой, несёт с собой магнитное поле Солнца, распространяя его через Солнечную систему в виде гигантского пузыря, который имеет размеры более 18 миллиардов километров.
Активный солнечный ветер
Наблюдаемый вблизи Земли солнечный ветер представляет собой относительно однородный поток плазмы, с редкими турбулентными включениями. Но к тому моменту, когда он достиг нашей планеты, ему потребовалось преодолеть 150 миллионов километров. Поэтому сигнатуры точных механизмов Солнца, участвующих в нагреве и ускорении солнечного ветра уже стёрты. Находясь ближе к источнику солнечного ветра зонд Parker Solar Probe увидел совсем другую систему, сложную и активную.
“Когда мы впервые начали смотреть данные, оказалось, что сложность системы была умопомрачительной. Теперь я к этому привык. Но когда я показываю коллегам в первый раз, они просто обалдевают. С точки зрения зонда, находящегося в 24-х миллионах километров от Солнца, солнечный ветер гораздо более импульсивен и нестабилен, чем то, что мы видим вблизи Земли”, – Стюарт Бейл из Калифорнийского университета в Беркли, ведущий специалист по комплексу приборов FIELDS, который изучает масштаб и форму электрических и магнитных полей.
Parker Solar Probe наблюдал явление пересоединения – движущиеся возмущения в солнечном ветре, которые заставляли магнитное поле изменять своё направление. Это пока ещё необъяснимое явление, которое могло бы помочь учёным раскрыть больше информации о том, как солнечный ветер движется от Солнца. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez
Как и само солнце, солнечный ветер состоит из плазмы, в которой отрицательно заряженные электроны отделились от положительно заряженных ионов, создавая море свободно плавающих частиц с индивидуальным электрическим зарядом. Наличие этих частиц означает, что плазма переносит электрические и магнитные поля, и изменения в плазме часто оставляют следы и в этих полях. Специальные приборы исследовали состояние солнечного ветра путем измерения и тщательного анализа изменения электрических и магнитных полей вокруг космического аппарата с течением времени, а также анализа волн в близлежащей плазме.
Эти измерения показали наличие резких разворотов в магнитном поле и внезапных, быстро движущихся струй вещества, а все эти характеристики делают солнечный ветер более турбулентным. Эти детали являются ключом к пониманию того, как ветер рассеивает энергию, когда она исходит от Солнца и разносится по всей Солнечной системе.
Одно из событий особенно привлекло внимание научных групп: перевороты в направлении магнитного поля, которое исходит из Солнца, встроенного в солнечный ветер. Эти развороты, называемые “переключениями”, длятся от нескольких секунд до нескольких минут. Во время переключения магнитное поле замыкается само на себя. Это происходит до тех пор, пока оно не будет направлено почти прямо на Солнце. С помощью приборов FIELDS и SWEAP (набора инструментов для изучения солнечного ветра) зонд измерял кластеры переключателей на протяжении первых двух близких витков вокруг Солнца.
“Волны в солнечном ветре фиксировались с самого начала космической эры, и мы предполагали, что ближе к Солнцу они будут становиться сильнее, но мы не ожидали увидеть то, что они организуются в эти когерентные структурированные всплески скорости. Мы обнаруживаем остатки структур от Солнца, которые выбрасываются в космос и резко меняют организацию потоков и магнитного поля. Это кардинально изменит наши теории о том, как нагревается корона и солнечный ветер”, – Джастин Каспер, главный учёный комплекса SWEAP.
Точный источник переключений еще не выяснен, но измерения Parker Solar Probe позволили ученым сузить круг возможных источников этого явления.
Среди множества частиц, которые текут от Солнца, есть постоянный пучок быстро движущихся электронов, которые движутся вдоль линий магнитного поля в Солнечную систему. Эти электроны всегда текут строго по форме силовых линий, движущихся от Солнца, независимо от того, направлен ли Северный полюс магнитного поля в этой конкретной области к Солнцу или от него. Но зонд Parker Solar Probe измерил поток электронов, идущих в противоположном направлении, то есть назад к Солнцу, показывая, что само магнитное поле должно изгибаться назад к звезде, а не то, что зонд столкнулся с другой линией магнитного поля от Солнца, которая указывает в противоположном направлении. Это говорит о том, что переключения являются петлями в магнитном поле — локализованными возмущениями, удаляющимися от Солнца, а не
изменением магнитного поля, когда оно выходит из Солнца.
Наблюдения Parker Solar Probe за переключениями говорят о том, что эти события станут ещё более распространенными, когда космический аппарат приблизится к Солнцу. Следующее сближение миссии состоится в 29 января 2020 года, когда зонд подойдёт к Солнцу ближе, чем когда-либо прежде. Наверняка это прольёт новый свет на этот процесс. Такая информация не только помогает изменить наше понимание того, что влияет на солнечный ветер и космическую погоду вокруг нас, но и помогает нам понять фундаментальную работу звёзд и процесс того, как они выделяют энергию в окружающую среду.
Закрученный солнечный ветер
Некоторые из исследований, проводимых Parker Solar Probe, приближают учёных к ответам на вопросы десятилетней давности. Один из таких вопросов касается того, как именно солнечный ветер проистекает из Солнца.
Вблизи Земли мы видим, что солнечный ветер течёт почти радикально. Это означает, что он движется прямо от Солнца во всех направлениях. Но оно вращается, высвобождая солнечный ветер, поэтому, прежде чем вырваться на свободу, он должен вращаться вместе с нашей звездой. Это несколько похоже на катание детей в парке на карусели – атмосфера вращается с Солнцем так же, как вращается внешняя часть карусели, но чем дальше вы отходите от центра, тем быстрее вы двигаетесь в пространстве. Ребёнок на краю мог бы спрыгнуть и в этот момент начал бы двигаться по прямой линии наружу, а не продолжать вращаться. Подобным же образом, есть некая точка между Солнцем и Землёй, которую проходит солнечный ветер от вращения вместе с Солнцем к течению прямо наружу или радиально, как мы видим с Земли.
Именно там, где солнечный ветер переходит от вращательного потока к совершенно радиальному потоку, имеет значение, как Солнце излучает энергию. Обнаружение этой точки может помочь нам лучше понять жизненный цикл других звёзд или формирование протопланетных дисков – плотных дисков газа и пыли вокруг молодых звёзд, которые в конечном итоге формируются в планеты.
Теперь, впервые в истории исследования Солнца, вместо того, чтобы просто наблюдать тот прямой поток, который мы видим вблизи Земли, Parker Solar Probe смог наблюдать солнечный ветер ещё в фазе вращения. Это как если бы зонд впервые увидел вращающуюся карусель, а не только детей, прыгающих с неё. Прибор изучения солнечного ветра на Parker Solar Probe обнаружил вращение, начинающееся более чем в 36 миллионах километров от Солнца, и по мере приближения к точке перигелия скорость вращения возрастала. Циркуляции была сильнее, чем предсказывали многие учёные, но она также быстрее, чем предсказывалось, перешла к внешнему потоку, что помогает маскировать эти эффекты с той точки исследования, откуда мы обычно изучаем Солнце. Это примерно на расстоянии 150 миллионов километров от него.
“Большой вращающийся поток солнечного ветра, наблюдаемый во время первых сближений, был для нас настоящим сюрпризом. Дело в том, что мы надеялись увидеть вращательное движение ближе к Солнцу, но скорости движения частиц, которые мы наблюдаем в этих первых встречах, почти в десять раз больше, чем предсказано стандартными моделями”.
Пыль возле Солнца
Ещё один вопрос, который постепенно приближается к своему ответу – это существующая непонятная зона вокруг Солнца, свободная от космической пыли. Наша Солнечная система буквально заполнена ей,то есть мелкими осколками космических столкновений, которые миллиарды лет назад образовали планеты, астероиды, кометы и другие небесные тела. Учёные давно подозревали, что вблизи Солнца эта пыль будет нагреваться до высоких температур мощным солнечным светом, превращая его в газ и создавая вокруг Солнца свободную от пыли область. Но никто никогда не наблюдал этого.
Parker Solar Probe увидел, что космическая пыль, рассеянная по всей нашей Солнечной системе, начинает истончаться вблизи Солнца, поддерживая идею о существовании давно предсказанной зоне без пыли вблизи Солнца. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger
Тепловизоры Parker Solar Probe впервые увидели, что космическая пыль начала редеть. Поскольку прибор WISPR смотрит в сторону космического корабля, он может видеть широкие полосы короны и солнечного ветра, включая области, находящиеся ближе к Солнцу. Эти изображения показывают, что пыль начинает истончаться чуть далее чем в 12.6 миллионов километров от Солнца, и это явление неуклонно продолжается до текущих пределов измерений WISPR на расстоянии чуть более 7.2 миллионов километров от Солнца.
“Эта зона без пыли была предсказана десятилетия назад, но никогда раньше не наблюдалась. Теперь же мы видим то, что происходит с пылью вблизи Солнца”, – Расс Говард, главный учёный комплекса тепловизора широкого поля WISPR из Военно-морской исследовательской лаборатории в Вашингтоне, округ Колумбия.
Если продлить скорость разрежения пыли, то учёные ожидают увидеть действительно свободную от неё зону на расстоянии чуть более 3-5 миллионов километров от Солнца. Это означает, что Parker Solar Probe может наблюдать свободную от пыли зону уже в 2020 году, когда шестой виток вокруг Солнца приблизит его к нашей звезде намного ближе, чем когда-либо прежде.
Можно сказать, что этот космический аппарат является своеобразным микроскопом, который предоставляет нам новый взгляд на два типа событий космической погоды: энергетические бури и выброс корональной массы.
Крошечные частицы, такие как электроны, в результате солнечной активности получают ускорение, создавая бури энергетических частиц. Различные события на Солнце могут отправлять эти частицы в Солнечную систему со скоростью, близкой к скорости света, то есть они достигают Земли менее чем за полчаса и могут воздействовать на другие планеты в столь же коротких временных масштабах. Эти частицы несут много энергии, поэтому они могут повредить электронику космического аппарата и даже подвергнуть опасности космонавтов, особенно находящихся в условиях глубокого космоса, то есть вне защиты магнитного поля Земли. А короткое время предупреждения о прибытии таких частиц не позволяет их эффективно избежать.
Понимание того, как именно эти частицы ускоряются до таких высоких скоростей, имеет решающее значение. Но даже при том, что они прилетают к Земле всего за несколько минут, этого времени все равно достаточно, чтобы частицы потеряли сигнатуры процессов, которые изначально их ускорили. Вращаясь вокруг Солнца на расстоянии всего в несколько миллионов километров, зонд Parker Solar Probe может исследовать эти частицы сразу после того, как они покинули Солнце.
Уже сейчас прибор ISʘIS космического аппарата, созданный Принстонским университетом, зафиксировал несколько невиданных ранее событий с энергетическими частица и. Эти события настолько малы, что все их следы теряются, прежде чем они достигнут Земли или любого из наших околоземных спутников. Эти приборы также измерили редкий тип выброса частиц с особенно большим количеством более тяжелых элементов. Это означает, что оба типа событий могут быть более распространёнными, чем ранее думали учёные.
“Это удивительно, даже при минимальной солнечной активности оно производит гораздо больше крошечных энергетических частиц, чем мы когда-либо думали. Эти измерения помогут нам найти источники возникновения, ускорение и траектории перемещения частиц солнечной энергии и в конечном счёте в будущем эффективнее защитить спутники и космонавтов”, – Дэвид Маккомас, главный учёный комплекса ISʘIS в Принстонском университете в Нью-Джерси.
Данные прибора WISPR также предоставили беспрецедентную детализацию структур в короне и солнечном ветре, включая корональные выбросы массы, то есть выбросы солнечного вещества миллиардной массы, которые Солнце посылает в Солнечную систему. Эти выбросы могут вызвать целый ряд эффектов на Земле и других планетах, от полярных сияний до индукции электрических токов, которые могут повредить электрические сети и кабели. Уникальная позиция исследования WISPR, благодаря которой прибор наблюдает эти явления в процессе удаления от себя, уже позволила наметить диапазон событий, которые наша звезда может создать.
“Поскольку движение Parker Solar Probe синхронизировано с вращением Солнца, мы могли наблюдать отток материала в течение нескольких дней и даже наблюдать эволюцию некоторых структур. Наблюдения вблизи Земли заставили нас думать, что еле различимые структуры в короне переходят в плавное течение, и сейчас мы выяснили, что это не так. Это поможет нам создать улучшенные модели того, как всё это перемещаются между Солнцем и Землёй”.
Parker Solar Probe провёл новые наблюдения энергетических частиц, которые здесь. Они воздействуют на детектор обсерватории SOHO. Источник: ESA/NASA/SOHO
Поскольку Parker Solar Probe продолжает своё путешествие, он совершит ещё 21 сближение с Солнцем на всё более близких расстояниях, достигнув кульминации из трёх орбит на расстоянии всего в 6,89 миллиона километров от солнечной поверхности.
“Солнце – единственная звезда, которую мы можем рассмотреть в таких подробностях. Получение данных прямиком из источника уже одним этим изменяет понимание о нашей родной звезде, да и других звёзд во Вселенной”, – Никола Фокс, руководитель Отдела гелиофизики в штаб-квартире НАСА.
Данные первых двух встреч Parker Solar Probe с Солнцем доступны для общественности в интернете.
По информации НАСА.
Источник: