Уже совсем скоро – 9 февраля по североамериканскому восточному времени – Европейское космическое агентство при участии NASA готовится запустить солнечный зонд Solar Orbiter. Космический аппарат будет запущен с помощью ракеты-носителя «Атлас-5» со стартового комплекса на мысе Канаверал (США, штат Флорида). Как ожидается, аппарат сумеет первым рассмотреть полюса Солнца. Татьяна Подладчикова, старший преподаватель Сколтеха, приглашена на запуск. В преддверии данного знаменательного события мы поговорили с Татьяной о том, что ждет научное сообщество при успешном запуске Solar Orbiter и какие факторы могут повлиять на сам запуск.

Видео: ESA

Татьяна, Вы приглашены на запуск Solar Orbiter, автоматического космического аппарата для исследования Солнца (реализуемого ESA при участии NASA). Запуск ожидается через несколько дней. Пальцы скрещены. Каково значение данного события для научного сообщества и простого обывателя?

Запуск Solar Orbiter действительно является очень значимым событием для всего мирового сообщества. С изобретением телескопа в начале 17 века, одного из величайших инструментов человечества, Галилео Галилей обнаружил на Солнце пятна – темные области на Солнце. А в 21 веке люди уже запускают спутники к самому Солнцу.

Проработка этого проекта на идейном уровне началась ещё более 30 лет назад консорциумом учёных всего мира, включая и российских учёных. В то время открыли солнечный ветер, поток заряженных частиц, исходящий из нашего светила, также появились первые изображения солнечной короны (атмосферы солнца) в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне, что возможно было сделать только из космоса, так как земная атмосфера фильтрует эти длины волн.

В числе необъяснённых новых феноменов оказалась аномально высокая температура солнечной короны. В фотосфере Солнца, видимой поверхности Солнца, температура от нижнего до ее верхнего края падает от 6500 до 4100 К. Но с ростом высоты в хромосфере Солнца температура начинает расти и уже в солнечной короне очень резко вырастает до 1 млн К и выше, что совершенно нелогично. Как так? Чем дальше от костра – тем жарче? Должен быть какой-то дополнительный процесс, который ведет к нагреву.

Кроме того, было обнаружено два типа потоков солнечного ветра, медленный и быстрый. И возникает вопрос: каким образом формируется и ускоряется солнечный ветер?

Вот в этот момент все мировое сообщество решило создать космический спутник с аппаратурой, изменяющей как параметры солнечной короны, так и параметры солнечного ветра: такая комбинация, с учетом качества приборов и возможности измерений, была осуществлена впервые.

В августе 2018 г. к Солнцу также был запущен спутник Parker Solar Probe (NASA). Свое название Parker-зонд получил в честь американского астрофизика Юджина Паркера, который в 1958 г. предсказал существование солнечного ветра. Solar Probe и Solar Orbiter – миссии нового поколения, знаменующие начало новой эпохи в физике Солнца. Ожидается, что они приведут к революции в понимании процессов на Солнце и предоставят научному сообществу беспрецедентные средства для решения ключевых открытых вопросов в физике Солнца: Как нагревается солнечная корона? Как ускоряется солнечный ветер? Как работает солнечное динамо? 

Запуск спутников – это большое событие, и риски огромны. На данный момент свою миссию уже выполняет Parker Solar Probe (NASA). В изначально запланированный день его запуск не состоялся, дата запуска Solar Orbiter тоже уже подвергалась коррективам. С чем это связано? Почему, скажем так, в последний момент, по мере приближения часа икс, сдвигаются даты. Какие бывают причины? И чем отличаются два спутника?

Причины могут быть самые разные. Один из переносов был связан со смещением воздухоотвода верхней ступени ракеты из-за прерывистого ветра на стартовой площадке. Следующий из переносов произошел из-за того, что нельзя было транспортировать сам спутник ввиду погодных условий. Поэтому выполняются дополнительные проверки и тесты. Кроме того, перенос осуществляется на дату, когда возможно окно запуска. 

Хочу сразу отметить, что спутники Parker Solar Probe и Solar Orbiter выгодно дополняют друг друга по возможностям измерений. Parker Solar Probe подойдет ближе к Солнцу (максимально близкое расстояние – 9 солнечных радиусов от солнечной поверхности). Solar Probe периодически уменьшает свое расстояние в перигелии путем отклонения от Венеры. В сентябре 2020 г. он приблизится к Солнцу на расстояние 20 солнечных радиусов, в ноябре 2021 г. – 12 солнечных радиусов и в декабре 2024 г. – 9 солнечных радиусов. Данные, полученные на таком близком расстоянии, позволят ответить на вопрос, как же рождается и ускоряется солнечный ветер. Однако на борту Solar Probe нет камеры, с помощью которой можно получить изображения Солнца в ультрафиолетовом диапазоне, так как не существует соответствующих технологий, которые позволили бы посмотреть на Солнце так близко.

Solar Orbiter подлетит к Солнцу на расстояние 0.28 астрономических единиц, и как раз на его борту будут установлены дорогостоящие ультрафиолетовые телескопы, что позволит нам одновременно измерить источники солнечного ветра на Солнце и параметры ветра возле спутника. Это даст нам возможность, так сказать, проследить, «откуда берется вода в океане, с какого именно горного ручейка». Кроме того, благодаря гравитационным маневрам Solar Orbiter сможет выйти из плоскости эклиптики, как бы обруча вокруг солнечного экватора, по которому вращаются все планеты. Solar Orbiter поднимется на 20 градусов выше и впервые сможет заглянуть в полярные зоны Солнца, откуда, мы полагаем, и исходит быстрый солнечный ветер. 

Солнечная активность циклична с периодом в среднем в 11 лет. Магнитное поле Солнца является драйвером 11-летнего солнечного цикла, а также мощных энергичных солнечных выбросов и вспышек. В минимуме солнечной активности магнитное поле Солнца выглядит, как обычный магнит, с круговыми магнитными линиями и двумя полюсами. С развитием солнечного цикла из-за того, что экватор Солнца вращается быстрее, чем его полюса, магнитное поле Солнца запутывается, как клубок ниток. По мере приближения к максимуму солнечной активности из звезды выдвигаются петли, которые прорываются сквозь фотосферу в атмосферу: они содержат в себе солнечное вещество и могут быть выброшены в космическое пространство в виде вспышек и корональных выбросов массы. Новый цикл зарождается с появления пятен на полюсах, которые с развитием цикла движутся к экватору. Во время максимума солнечной активности происходит смена магнитных полюсов Солнца, южный оказывается на месте северного, и наоборот. Беспрецедентные измерения магнитного поля Солнца на полюсах позволят нам ответить на вопросы, как же работает солнечное динамо – как генерируются магнитные поля на Солнце и как это влияет на 11-летний солнечный цикл.

Таким образом, данные с обоих спутников позволят в целом понять, как же работает наша звезда, как она создают гелиоссферу, в которой обитают планеты солнечной системы, и как уменьшить риски влияния эффектов космической погоды на технологические системы в космосе и на Земле.

Говоря о космической погоде, каковы актуальные глобальные вызовы? И какие инструменты уже есть у человечества для отражения данных вызовов?

Аппаратура и роботы уже работают в космосе, а в ближайшем будущем туда направятся и люди, на Луну, астероиды и чуть позже на другие планеты. Тогда встанет вопрос защиты нашей техники и человека от космических бурь и экстремальных условий, от которых не защищены в космосе ни техника, ни мы. Не защищены так хорошо, как на Земле, хотя и на Земле мы не всегда защищены, особенно техника и средства коммуникации.

Для этого в первую очередь нам надо понять четко и количественно, какие именно солнечные источники и когда приводят к экстремальным условиям погоды в космосе – для различных планет, астероидов и искусственной аппаратуры, летающих в разных точках солнечной системы. Мы надеемся, что инструменты на борту Solar Orbiter и Solar Probe (ультрафиолетовые телескопы, приборы, позволяющие измерять плотность, скорость солнечного ветра, глобальное магнитное поле Солнца, солнечные энергичные частицы) дадут нам ответ на эти вопросы. 

Стоит упомянуть наземные и космические магнитометры. Возможности измерений у нас есть. Именно благодаря этим измерениям и начала зарождаться наука о космической погоде. Сейчас наступило время синтеза и практического применения наших знаний.

Не стоит также забывать, какую опасность представляют астероиды в случае отклонения от орбиты. Сейчас учёные стараются проводить круглосуточный мониторинг не только условий космической погоды, но и траекторий астероидов в солнечной системе.

Насколько предсказуема космическая погода? И каковы перспективы у развития такого прогнозирования?

Я бы хотела заметить, что наука о космической погоде зародилась давно, и в последнее десятилетие она получила мощное развитие.  

В  1859 г. из-за событий на Солнце произошла одна из самых мощных геомагнитных бурь за всю историю наблюдения. В Северной Америке и Европе из строя был выведен телеграф, а в те времена это было основное средство связи для ведения бизнеса и личных контактов. Английский астроном Ричард Каррингтон как раз в это время смотрел на Солнце в телескоп и вдруг увидел, как среди группы солнечных пятен что-то вспыхнуло, а потом произошел сбой линий телеграфа. Таким образом, совершенно случайно впервые была обнаружена связь между солнечной вспышкой, полярными сияниями и магнитными бурями.

В июле 2012 г. на Солнце произошел выброс энергии, сравнимый с событием в 19 веке, но нам повезло, потому что эти выбросы не задели Землю.

Если подобное событие произойдет в наши дни, то современные устройства останутся без защиты, мы окажемся без электричества, телевидения и интернета, радиосвязи. В 1988 г. геомагнитная буря спровоцировала глобальную аварию электрического снабжения в Канаде, оставив почти на сутки без тепла, света и радиосвязи 6 млн. человек.  4 ноября 2015 г. солнечная вспышка привела к остановке работы авиасообщения в Швеции: была нарушена радиосвязь и работа радиолокационных систем. 6 и 10 сентября 2017 г. мощная солнечная вспышка вынудила членов экипажа МКС переместиться в расположенное на борту станции укрытие.  Известны случаи сбоев систем сигнализации на железных дорогах, когда цвет сигнала светофора спонтанно изменяется с зеленого на красный. Из-за повышенной солнечной активности принимаются решения отменить спутниковые маневры, корректировать орбиты спутников, менять маршруты авиаперелетов. В 1972 г., активные события на Солнце привели к самопроизвольному срабатыванию морских мин у побережья Вьетнама. Мины среагировали на резкое изменение магнитного поля Земли, как будто на проплывающие рядом корабли. В будущем глубокое понимание процессов на Солнце и прогнозирование космической погоды также будут иметь большое значение для развития безопасности беспилотного транспорта и дорог, которыми этот транспорт будет пользоваться. Таким образом, прогнозы космической погоды нам все больше приходиться учитывать в наших ежедневных планах. 

В начале 20-го века выдающийся русский ученый Александр Чижевский, не имея никаких экспериментальных данных, говорил о том, что Земля постоянно находится в объятиях Солнца, а настроение Солнца передается земле через эти объятия. А в 70–80-е годы уже стали выполняться исследования космической погоды и солнечно-земных связей, когда еще не было таких изображений солнечной короны, какие у нас есть сегодня. Но ученые уже начали понимать, что причины геомагнитных бурь или нарушения коммуникаций связаны скорее всего с тем, что Солнце моделирует нашу среду. Поколение сильнейших ученых выдвигало и проверяло гипотезы о причинах и следствиях событий в солнечной системе.

Сегодня, когда у нас есть ряд наземных и космических спутников от Солнца до Земли, мы начали не только говорить о предсказуемости космической погоды, но и получать конкретные и реальные результаты по предсказанию геомагнитных бурь, прибытию мощных потоков заряженных частиц в разные точки солнечной системы, в том числе и на Землю.

Во всех ведущих странах мира, почти во всех европейских странах, Англии, Америке, существуют центры мониторинга и предсказания космической погоды. В Европейском космическом агентстве создана специальная программа космической осведомленности, где космическая погода является одним из ключевых направлений.

Как говорил Константин Циолковский в 1912 г., “человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство”. Через 100 лет, этот разговор продолжает Джефф Безос (основатель компании Амазон, а также частной аэрокосмической компании по космическому туризму): “Энергия здесь ограничена. Через несколько сотен лет вся наша тяжелая промышленность будет перенесена за пределы планеты. Земля будет территорией для жизни и легкой промышленности. Не стоит создавать тяжелую энергию на земле. Мы можем строить гигантские фабрики по производству микросхем в космосе”.

Поскольку человечество готовится к еще более серьезной работе по освоению космоса, все дальше и дальше от Земли, полетам к астероидам и обратно, планетарным и лунным базам – это освоение должно быть безопасным. А точное знание космической погоды обеспечит безопасность человека и техники в ближнем космосе, в солнечной системе и на Земле. Хороший капитан не выведет свой корабль в море во время шторма!

Какое внимание в Сколтехе уделяется этой теме? Какие работы, разработки по теме, созданные в стенах Сколтеха, Вам представляются особо интересными?

В настоящее время важно то, что мы готовим новую смену ученых, которые не только растут подготовленными в этих вопросах, но и проходят регулярные стажировки по этим вопросам в различных космических центрах мира. Из ряда ведущих разработок упомяну работы по детектированию активных событий на Солнце – солнечных вспышек, корональных выбросов массы – а также исследования их влияния на Землю, по прогнозированию 11-летнего солнечного цикла, радиопотоков от Солнца для потребностей орбиты, работы по астероидам, прогнозированию высокосортных потоков солнечного ветра, геомагнитных бурь, а также работу по созданию новых операционных сервисов космической погоды.

Можно сказать, что мы вышли за пределы околоземного пространства дальше в космос. Наш следующий шаг с учетом прорыва новых спутников все выше и выше: от Земли – и прямо до Солнца!  И какие бы ни бушевали бури, я желаю всем хорошей космической погоды!