С начала 2019 года зонд Parker Solar Probe, запущенный НАСА для исследования Солнца, трижды подходил к звезде ближе, чем любой другой космический корабль. Во время максимального сближения расстояние между аппаратом и Солнцем составляло всего 15 млн км — примерно половина расстояния между Солнцем и Меркурием, а температура окружающей среды — около 1 000 °C. Теперь космическое агентство опубликовало четыре научных статьи с первыми результатами семилетней миссии. За неполный год работы Parker удалось выяснить, что солнечный ветер формируется иначе, чем считали ученые, — а также открыть несколько новых явлений в короне Солнца, которые с Земли зафиксировать было невозможно. «Хайтек» рассказывает, что ученые узнали из первых данных зонда и какое влияние это окажет на науку.
Почему важно исследовать Солнце
Солнце — типичная звезда, каких много во Вселенной. Но, в отличие от других звезд, оно находится ближе всего к Земле — настолько близко, что наша планета в определенном смысле расположена внутри внешней части ее атмосферы.
Несмотря на значительное расстояние между нашей планетой и звездой, около 149 600 000 км, Землю постоянно омывает солнечный ветер — потоки ионизированного газа, которые формируются во внешней части солнечной атмосферы, так называемой короне.
От интенсивности солнечного ветра — космической погоды — зависят полярные сияния и стабильность магнитного поля Земли, возмущение которого может привести к возникновению помех в работе электронных приборов. Мощные вспышки в короне часто приводят к выходу из строя спутников и нарушению работы навигационных систем.
Солнечная активность влияет и на процесс эволюции разных форм жизни, а изучение звезды позволит понять механизм развития жизни на планетах в других системах. Если, конечно, жизнь существует где-то кроме Земли.
Несмотря на несколько столетий изучения, астрономам пока известно о Солнце относительно немного — например, ученые не знают, как именно ведет себя солнечный ветер в определенных ситуациях, какие процессы происходят в короне и что свидетельствует о начале ее активности. Изучение осложняется тем, что оно является крайне ярким объектом, температура на орбитах крайне высока, — поверхность разогрета более чем на 6 000 °C. Поэтому ни один исследовательский аппарат до сих пор не мог подойти к звезде достаточно близко, чтобы ее детально изучить.
Первым подобным аппаратом стал зонд Parker Solar Probe, оснащенный защитным керамическим экраном, способным выдержать температуру до 1 450 °C.
Процесс сближения Parker с Солнцем продлится в течение семи лет: за это время аппарат должен будет пройти 24 орбиты, постепенно приближаясь к центру нашей системы — в самой близкой точке он окажется на расстоянии всего около 6 млн км от звезды. Это самое маленькое расстояние, на которое когда-либо рукотворный аппарат подходил к Солнцу. Корабль также побьет рекорд самого быстро движущегося космического корабля относительно Солнца. Он достигнет скорости почти в 700 000 км/час к 2024 году, когда подойдет к звезде на расстояние 9-10 ее радиусов.
На борту находятся четыре научных эксперимента: Fields, который изучает электрические и магнитные поля; IS☉IS, измеряющий заряженные частицы высокой энергии в солнечном ветре и короне; WISPR — для исследования солнечного ветра и других структур; SWEAP, который измеряет состав различных типов частиц в солнечном ветре.
Что нового узнали ученые?
Сейчас Parker находится на расстоянии примерно в 24 млн км от Солнца — это ближе, чем среднее расстояние от звезды до Меркурия. Аппарат уже находится на меньшем расстоянии, чем рекордно близкая к звезде миссия «Гелиос-2», запущенная в 1976 году.
Зонд движется на максимальной скорости, которую когда-либо удавалось развить рукотворному аппарату — около 342,79 тыс. км/час. Аппарат уже отправил несколько пакетов данных на Землю — на их основе ученые из НАСА написали четыре научных статьи о поведении Солнца.
«Эта совершенно новая информация о том, как работает наша звезда, поможет нам понять, как Солнце меняет космическую среду во всей нашей Солнечной системе», — говорится в сообщении профессора Николя Фокса.
Формирование солнечного ветра
Parker уже дал ученым новые данные о движении солнечного ветра — оказалось, что он движется совершенно иначе, чем считалось. С помощью аппарата астрономы впервые увидели, как вблизи поверхности Солнца магнитное поле солнечного ветра меняется на 180°. Этот процесс за короткое время разгоняет потоки до гигантских скоростей — около 482,803 км/час.
Ученые полагают, что развороты магнитного поля, так называемые обратные переключения, играют решающую роль при нагреве солнечной короны. В их результате происходит короткая бомбардировка Земли очень быстрым потоком солнечного ветра — затем его скорость снижается до нормальных значений. Понимание этого процесса позволит уточнить прогнозы космической погоды — и обезопасить спутники и радиоприборы.
Пыль на ветру
Зонд также впервые обнаружил доказательство уменьшения частиц межпланетной пыли, которая заполняет Солнечную систему рядом со звездой. Этот эффект был предсказан теоретиками почти 100 лет назад, однако наблюдать его ученым до сих пор не удавалось.
Данные, собранные Parker, показали, что на расстоянии около 24 млн км от Солнца частицы космической пыли становятся меньше в размерах, а на расстоянии примерно в шесть радиусов звезды исчезают вовсе. Теория гласит, что частицы либо полность уничтожаются излучением, либо вылетают из этой области вместе с солнечным ветром.
При этом пока зона, полностью свободная от пыли, недоступна для непосредственных наблюдений зонда. Предполагается, что однозначно подтвердить ее существование удастся примерно через год — когда Parker подойдет еще ближе к звезде.
Солнечный ветер и вращение Солнца
С помощью инструмента SWEAP аппарат также подтвердил расчеты теоретиков о том, что вращение Солнца связано с солнечным ветром.
Большинство измерений солнечного ветра на сегодняшний день проводились на расстоянии в 90 млн км от Земли, где поток движется строго радиально. Поэтому понять, как именно солнечный ветер движется рядом с источником и на что влияет направление вращения, можно только непосредственно рядом с Солнцем.
Теперь Parker подтвердил, что рядом с источником солнечный ветер тесно связан с вращением звезды. При этом данные со SWEAP показали, что поток превращается в однородный ближе к Солнцу, чем предполагали теоретики.
Электрические частицы
Близкий подлет к звезде позволил зонду увидеть явления, которые слишком малы и кратковременны, чтобы их можно было наблюдать с Земли или с орбиты. Речь идет об энергетических вспышках в потоке солнечных частиц с необычно высоким уровнем тяжелых элементов.
«События, связанные с солнечными энергетическими частицами, важны — они могут возникать неожиданно и приводить к изменениям космической погоды. В частности, они могут причинить вред здоровью космонавтов. Поняв источники, ускорение и перенос солнечных энергетических частиц, мы сможем лучше защитить людей в космосе в будущем», — говорится в сообщении НАСА.
Что дальше?
Parker Solar Probe совершил полет по третьей научной орбите вокруг Солнца из 24 запланированных. Впереди у аппарата еще около 18 млн км — астрономы рассчитывают, что приближение к Солнцу позволит аппарату собрать достаточно данных, чтобы ответить на два главных вопроса.
Первый касается солнечного нейтрино — ученые пока не понимают, почему фактическое количество элементарных частиц, которые возникают в ядре Солнца в результате ядерных реакций, меньше предсказанного.
Второй вопрос связан с аномальной температурой солнечной короны — замеры показали, что она составляет более миллиона градусов Кельвина, тогда как поверхность звезды нагрета всего до 6 000 °C.