Зараз дослідження сонячної корони здійснюють два міжпланетні апарати: Parker Solar Probe (PSP, NASA) та Solar Orbiter (SolO, ESA). До речі, PSP — єдиний зонд, названий на честь ученого за його життя. Обидва апарати рухаються в напрямку Сонця. Вони забезпечені тепловими щитами для захисту свого наукового обладнання. Оскільки дві гіпотези про нагрів корони спираються на різні розділи магнітогідродинаміки, кожен із них оснащений магнітометром і детектором частинок, бо магнітне поле безпосередньо впливає на рух іонів сонячної плазми.
Parker Solar Probe
PSP був запущений 12 серпня 2018 року ракетою-носієм Delta IV Heavy. На той момент рекорд близькості до Сонця тримав апарат Helios 2 — 44 млн км. Нова сонячна обсерваторія всемеро перевершить цей результат. Вона має наблизитися до світила на рекордну відстань — 6,2 млн км. Це трохи менше за 10 його радіусів. На такій відстані апарат буде рухатися зі швидкістю 690 тис. км/год (~192 км/с). Подорож від Землі до Місяця з такою швидкістю тривала би трохи більше ніж пів години. Температура на цій відстані сягатиме приблизно 1500°C. Тому тепловий щит PSP має товщину 11,5 см. Цього має бути достатньо, щоб уберегти дослідницькі прилади від перегріву.
Про які ж прилади йдеться? По-перше, це інструмент FIELDS, що працює з електромагнітним полем. Для вимірювань електричного поля призначені п’ять двометрових антен, чотири з яких розміщені в площині теплового щита по діагоналях квадрата й одна — перпендикулярно до них у «тепловій» тіні. Вони зроблені зі сплаву на основі ніобію, що дозволить їм протистояти високим температурам. Магнітні поля реєструються трьома магнітометрами. Вони являють собою котушки розміром з кулак. Принцип їхньої роботи базується на електромагнітній індукції: зміна магнітного поля створює струм у провіднику, який вимірюється приладами на борту космічного апарата.
Фотографії великомасштабної структури корони та сонячного вітру робитиме WISPR — єдиний інструмент, що отримуватиме зображення. В його основі лежить не ПЗЗ-матриця (прилад із зарядовим зв’язком), як у більшості подібних приладів, а КМОН — комплементарний метал-оксидний напівпровідник. Це альтернатива ПЗЗ-матрицям зі своїм набором переваг і недоліків. Серед переваг — легкість і менше споживання енергії. Крім того, вони менш сприйнятливі до заливки зображення (blooming). Це негативне явище виникає, коли надлишок заряду з одного пікселя перетікає на сусідні. У ПЗЗ-матрицях пікселі з’єднані рядами, тому й заливка відбувається по цих рядах. У КМОН-матриці є доступ до кожного пікселя окремо та потенціальний бар’єр між ними вищий, тому й заливці тут виникнути набагато складніше.
Останні два інструменти — детектори частинок SWEAP (Solar Wind Electons, Alphas and Protons) й IS☉IS (The Integrated Science Investigation of the Sun). Перший здатний реєструвати електрони, протони та ядра атомів гелію і миттєво визначати їхні характеристики — такі, як швидкість, концентрація та температура. Він складається з трьох частин: SPC (Solar Probe Cup), SPAN-A та SPAN-B (Solar Probe Analyzer).
SPC — це, по суті, чашка Фарадея, в якій потік сонячного вітру (електрони, протони й α-частинки — повністю іонізовані ядра гелію) розділяється по масі та заряду, а тоді вже кожен розділений «промінь» аналізується окремо. SPAN — це ширококутні детектори заряджених частинок, що можуть оглядати області поза межами поля зору SPC. SPAN-A працює з електронами та іонами, тоді як SPAN-B — лише з електронами. Цей прилад може проводити 146 вимірювань за секунду.
IS☉IS — детектор високоенергетичних заряджених частинок (від десятків кілоелектрон-вольт до сотень МеВ), який складається з двох інструментів: EPI-Lo та EPI-Hi (Energetic Particle Instrument). Частинка, що влітає в EPI-Lo, спочатку проходить через два шари карбон-поліамід-алюмінієвої фольги (легкий матеріал із прекрасними пластичними властивостями та термостійкістю), з яких вибиває кілька електронів, після чого потрапляє у твердотільний детектор. Вимірюючи час проходження в твердотільному детекторі та величину заряду, утвореного на фользі, можна визначити тип частинки, що потрапила в детектор. Цей інструмент здатний детектувати електрони й іони важких елементів (C, Ne, O, Mg, Fe, Si, ³He та ⁴He).
Детектор EPI-Hi являє собою розміщені шарами один за одним різні детектори частинок. Така конструкція дозволяє визначити напрямок руху частинки через локалізацію збудження на різних шарах при її проходженні та її енергію по глибині проникнення всередину детектора. Очікується, що цей інструмент зможе реєструвати до 100 тисяч частинок за секунду при найближчому до Сонця прольоті. Космічний апарат PSP здійснюватиме дослідження світила у відносній близькості до нього, тоді як решту часу на орбіті відправлятиме отримані дані на Землю.
Solar Orbiter
SolO — проєкт Європейського космічного агентства, що також передбачає вивчення сонячної корони, геліосфери та процесів у ній разом із PSP. Крім того, на нього покладають відповідальне завдання — дослідити в деталях магнітне поле на Сонці та зміну його полярності в ході 11-річного циклу. Хоча цей зонд і не буде наближатися до світила так близько, як PSP (42 млн км проти 6,2), але він зможе виходити з площини екліптики під кутом 24° (в разі продовження програми — на 33°). Такі маневри дозволять зазирнути у корональні діри та полярні області нашої зірки.
Також є відмінності й у наукових інструментах двох апаратів. SolO може проводити вимірювання як «на собі», так і на відстані, тоді як PSP — лише «на собі», тобто він отримує інформацію про простір, у якому безпосередньо перебуває. Для вимірювань «на місці» SolO обладнаний детектором енергічних частинок (EPD), магнітометром (Mag) і аналізатором сонячного вітру (SWA). Спостерігати віддалено він може завдяки інструменту Extreme Ultraviolet Imager (EUI), коронографу Metis, камерам Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI), Heliospheric Imager (SoloHI), Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE) і рентгенівському спектрометру STIX.
Особливу роль відіграє RPW (Radio and Plasma Waves) — він може проводити як вимірювання «на собі», так і спостереження на відстані, зондуючи електромагнітне поле з високою роздільною здатністю за допомогою кількох датчиків і антен. Одночасне використання цих інструментів дозволяє отримати точнішу картину процесів на Сонці та в його атмосфері. EPD обладнаний чотирма інструментами, які в сукупності можуть детектувати різні види заряджених частинок у діапазоні енергій від 2 кеВ до 20 МеВ для електронів, від 3 кеВ до 100 МеВ для протонів і від 8 кеВ до 200 МеВ для важких іонів. EUI створює набір зображень області на Сонці, що містить верхні шари фотосфери, хромосферу та початок корони. MAG здійснює високоточні вимірювання магнітного поля геліосфери. Також він може простежити вихід магнітного поля у міжпланетний простір і його еволюцію впродовж циклу активності.
Коронограф METIS отримує широкосмугове поляризоване зображення K-корони у видимому світлі та в лінії Лайман-альфа (121,6 нм), що дозволить вивчати всю корону з високою роздільною здатністю. PHI спостерігає за цілим диском Сонця, вимірюючи радіальні швидкості та напрямки ліній магнітного поля на фотосфері. Такий підхід дозволить більше дізнатися про геліосейсмологію та навіть зазирнути всередину конвективної зони.
SoloHI спостерігатиме за світлом Сонця, розсіяним на електронах, і з отриманих даних будуватиме зображення квазі-рівномірних потоків і миттєвих збурень у сонячному вітрі. SPICE вестиме зйомку в далекому ультрафіолеті (70,0-79,2 нм та 97,0-105,3 нм), що відповідає температурі джерел випромінювання від 10 000 до 10 000 000 K.
STIX реєструє теплове та нетеплове рентгенівське випромінювання з енергіями від 4 до 150 кеВ. Такі спостереження нададуть багато інформації про час і місце виникнення високотемпературної плазми (зокрема прискорених заряджених частинок, переважно електронів), а також її інтенсивність і спектральний розподіл, котрі найчастіше пов’язують із сонячними спалахами.
SWA визначатиме основні параметри сонячного вітру: густину, швидкість потоку, температуру та іонний склад. Цей інструмент складається з набору сенсорів і датчиків, він працює постійно та реєструє частинки по всій орбіті космічного апарата.
Задачі, які вирішуватиме SolO, доволі близькі до проблеми нагріву сонячної корони. Недарма дослідники ESA та NASA, відповідальні за місії двох апаратів, будуть співпрацювати — адже вони мають спільну мету. Станом на початок 2023 року PSP вже зробив 14 обертів навколо Сонця та відправив на Землю чимало даних. SolO ще не вийшов на робочу орбіту, хоча майже відразу після виходу в космос у лютому 2020-го він почав проводити вимірювання, результати яких були опубліковані наприкінці вересня того ж року. Європейські й американські науковці покладають великі надії на свої проєкти, сподіваючись, що вони зможуть дати відповіді на поставлені запитання. Але, як це завжди трапляється в науці, майже напевно разом із відповідями з’являться нові загадки.
Тільки найцікавіші новини та факти в нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
