В настоящее время исследования солнечной короны осуществляют два межпланетных аппарата: Parker Solar Probe (PSP, NASA) и Solar Orbiter (SolO, ESA). Кстати, PSP — единственный зонд, названный в честь ученого при его жизни. Оба аппарата движутся в направлении Солнца. Они снабжены тепловыми щитами для защиты своего научного оборудования. Поскольку две гипотезы о нагреве короны опираются на различные разделы магнитогидродинамики, каждый из них оснащен магнитометром и детектором частиц, так как магнитное поле оказывает непосредственное влияние на движение ионов солнечной плазмы.
Parker Solar Probe
PSP был запущен 12 августа 2018 года ракетой-носителем Delta IV Heavy. На тот момент рекорд сближения с Солнцем удерживал аппарат Helios 2 — 44 млн км. Новая солнечная обсерватория в семь раз превзойдет этот результат. Она должна приблизиться к светилу на рекордное расстояние — 6,2 млн км, что чуть меньше 10 его радиусов. На таком расстоянии аппарат будет двигаться со скоростью 690 тыс. км/ч (~192 км/с). Путешествие от Земли к Луне с такой скоростью длилось бы чуть более получаса. Температура на этом расстоянии будет достигать примерно 1500°C. Поэтому тепловой щит PSP имеет толщину 11,5 см. Этого должно быть достаточно, чтобы уберечь исследовательские приборы от перегрева.
О каких приборах идет речь? Во-первых, это инструмент FIELDS, работающий с электромагнитным полем. Для измерений электрического поля предназначены пять двухметровых антенн, четыре из которых размещены в плоскости теплового щита по диагоналям квадрата и одна — перпендикулярно к ним в «тепловой» тени. Они сделаны из сплава на основе ниобия, что позволяет им противостоять высоким температурам. Магнитные поля регистрируются тремя магнитометрами, представляющими собой катушки размером с кулак. Принцип их работы основан на электромагнитной индукции: изменение магнитного поля вызывает появление в проводнике тока, измеряемого приборами на борту космического аппарата.
Фотографии крупномасштабной структуры короны и солнечного ветра будет делать WISPR — единственный инструмент, получающий изображения. В его основе лежит не ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью), как у большинства подобных приборов, а КМОН — комплементарный металл-оксидный полупроводник. Это альтернатива ПЗС-матрицам со своим набором преимуществ и недостатков. Среди преимуществ — легкость и меньшее потребление энергии. Кроме того, они менее восприимчивы к заливке изображения (blooming). Это нежелательное явление возникает, когда избыток заряда с одного пикселя перетекает на соседние. В ПЗС-матрицах пиксели соединены рядами, потому и заливка происходит по этим рядам. У КМОН-матрицы есть доступ к каждому пикселю отдельно и потенциальный барьер между ними выше, поэтому и заливке здесь возникнуть намного сложнее.
Последние два инструмента — детекторы частиц SWEAP (Solar Wind Electons, Alphas and Protons) и IS☉IS (The Integrated Science Investigation of the Sun). Первый способен регистрировать электроны, протоны и ядра атомов гелия, при этом мгновенно определяя их характеристики — такие, как скорость, концентрация и температура. Он состоит из трех частей: SPC (Solar Probe Cup), SPAN-A и SPAN-B (Solar Probe Analyzer).
SPC — это, по сути, чашка Фарадея, в которой поток солнечного ветра (электроны, протоны и α-частицы — полностью ионизированные ядра гелия) разделяется по массе и заряду, а тогда уже каждый полученный «луч» анализируется отдельно. SPAN — это широкоугольные детекторы заряженных частиц, способные осматривать области вне поля зрения SPC. SPAN-A работает с электронами и ионами, SPAN-B — только с электронами. Этот прибор может производить 146 измерений за секунду.
IS☉IS — детектор высокоэнергетических заряженных частиц (от десятков килоэлектрон-вольт до сотен МэВ), состоящий из двух инструментов: EPI-Lo и EPI-Hi (Energetic Particle Instrument). Частица, влетающая в EPI-Lo, сначала проходит через два слоя карбон-полиамид-алюминиевой фольги (легкий материал с прекрасными пластическими свойствами и термостойкостью), из которых выбивает несколько электронов, после чего попадает в твердотельный детектор. Измеряя время прохождения в твердотельном детекторе и величину заряда, образованного на фольге, можно определить тип попавшей в детектор частицы. Этот инструмент способен детектировать электроны и ионы тяжелых элементов (C, Ne, O, Mg, Fe, Si, ³He и ⁴He).
Детектор EPI-Hi представляет собой расположенные слоями один за другим различные детекторы частиц. Такая конструкция позволяет определить направление движения частицы благодаря локализации возбуждения в разных слоях при ее прохождении и ее энергию — по глубине проникновения внутрь детектора. Ожидается, что этот инструмент сможет регистрировать до 100 тысяч частиц в секунду при максимальном сближении с Солнцем. Космический аппарат PSP будет вести исследования светила в относительной близости к нему, тогда как остальное время на орбите — отправлять полученные данные на Землю.
Solar Orbiter
SolO — проект Европейского космического агентства, также предусматривающий изучение солнечной короны, гелиосферы и процессов в ней вместе с PSP. Кроме того, на него возложили ответственное задание — изучить в деталях магнитное поле на Солнце и изменение его полярности в ходе 11-летнего цикла. Хоть этот зонд и не будет приближаться к светилу так близко, как PSP (42 млн км против 6,2), он сможет выходить из плоскости эклиптики под углом 24° (в случае продолжения программы — на 33°). Такие маневры позволят заглянуть в корональные дыры и полярные области нашей звезды.
Также есть различия и в научных инструментах двух аппаратов. SolO может производить измерения как «на себе», так и на расстоянии, тогда как PSP — только «на себе», то есть он получает информацию о пространстве, в котором находится непосредственно. Для измерений «на месте» SolO оборудован детектором энергичных частиц (EPD), магнитометром (Mag) и анализатором солнечного ветра (SWA). Наблюдать удаленно он может благодаря инструменту Extreme Ultraviolet Imager (EUI), коронографу Metis, камерам Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI), Heliospheric Imager (SoloHI), Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) и рентгеновскому спектрометру STIX.
Особую роль играет RPW (Radio and Plasma Waves) — он может производить как измерения «на себе», так и наблюдения на расстоянии, зондируя электромагнитное поле с высоким разрешением с помощью нескольких датчиков и антенн. Одновременное использование этих инструментов позволяет получить более точную картину процессов на Солнце и в его атмосфере. Прибор EPD оборудован четырьмя инструментами, которые в совокупности способны детектировать различные виды заряженных частиц в диапазоне энергий от 2 кэВ до 20 МэВ для электронов, от 3 кэВ до 100 МэВ для протонов и от 8 кэВ до 200 МэВ для тяжелых ионов. EUI создает набор изображений области на Солнце, содержащей верхние слои фотосферы, хромосферу и начало короны. MAG производит высокоточные измерения магнитного поля гелиосферы. Также он может проследить выход магнитного поля в межпланетное пространство и его эволюцию на протяжении цикла активности.
Коронограф METIS получает широкополосные поляризованные изображения K-короны в видимом свете и в линии Лайман-альфа (121,6 нм), позволяющие изучать всю корону с высоким разрешением. PHI наблюдает за целым диском Солнца, измеряя радиальные скорости и направления линий магнитного поля на фотосфере. Такой подход позволяет больше узнать о гелиосейсмологии и даже заглянуть внутрь конвективной зоны.
SoloHI наблюдает за светом Солнца, рассеянным на электронах, и на основании полученных данных строит изображения квази-равномерных потоков и мгновенных возмущений в солнечном ветре. SPICE ведет съемку в дальнем ультрафиолете (70,0-79,2 нм и 97,0-105,3 нм), что соответствует температуре источников излучения от 10 000 до 10 000 000 K.
STIX регистрирует тепловое и нетепловое рентгеновское излучение с энергиями от 4 до 150 кэВ. Такие наблюдения предоставят много информации о времени и месте возникновения высокотемпературной плазмы (в частности, ускоренных заряженных частиц, преимущественно электронов), а также ее интенсивность и спектральное распределение, которые чаще всего связывают с солнечными вспышками.
SWA определяет основные параметры солнечного ветра: плотность, скорость потока, температуру и ионный состав. Этот инструмент состоит из набора сенсоров и датчиков, работает постоянно и регистрирует частицы по всей орбите космического аппарата.
Задачи, которые будет решать SolO, довольно близки к проблеме нагрева солнечной короны. Недаром исследователи ESA та NASA, ответственные за миссии двух аппаратов, будут сотрудничать — ведь они имеют общую цель. По состоянию на начало 2023 года PSP уже совершил 14 оборотов вокруг Солнца и отправил на Землю немало данных. SolO еще не вышел на рабочую орбиту, хотя почти сразу после отправки в космос в феврале 2020-го он начал проводить измерения, результаты которых были опубликованы в конце сентября того же года. Европейские и американские ученые возлагают большие надежды на свои проекты, ожидая, что они смогут дать ответы на поставленные вопросы. Но, как это всегда случается в науке, почти наверняка вместе с ответами появятся новые загадки.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
