Текст книги "Непридуманные космические истории"

Большой финал «Кассини»

Незадолго до того, как я разговаривала с Линдой Спилкер в ее кабинете в лаборатории реактивного движения в начале 2016 года, «Кассини» завершил свой последний пролет Энцелада.

– Печально осознавать, что те или иные действия с «Кассини» мы теперь выполняем в последний раз, – говорит она. – Когда проект приближается к концу, действительно ощущаешь грусть, но в то же время и огромное удовлетворение от того, как многого нам удалось добиться. «Кассини» превзошел все самые смелые ожидания, которые возлагались на этот аппарат при запуске, и программа его полета продолжалась так долго за счет безупречной работы космического аппарата.

В определенном смысле, – говорит Спилкер, – проект подходит к концу. Но нам удалось собрать настоящую сокровищницу данных, и работать с ними предстоит еще не один десяток лет. Каждый день новая информация выливается на нас могучим потоком, как из пожарного брандспойта, и мы лишь успеваем снять сливки с самых лучших снимков и данных. Но представьте себе, сколько новых открытий мы еще пока не сделали. Поиск более полного понимания природы системы Сатурна продолжается, и мы оставляем в наследство тем, кто придет после нас, сделанное нами и наши мечты – о новых полетах, об углублении тех исследований, которые начали мы.

Глава 7
Скачивая Солнце круглосуточно, семь дней в неделю: Solar Dynamics Observatory

На грани катастрофы

23 июля 2012 года на поверхности Солнца произошло несколько мощных взрывов подряд. Такие события называют корональными выбросами массы, и в этот раз они были равны по высвобожденной энергии взрыву тысяч ядерных бомб. Их сила заставила облака намагниченной плазмы массой в миллиарды тонн устремиться в космос со скоростью 3000 км/с – это в четыре раза быстрее, чем при обычном солнечном извержении.

Так начался один из самых сильных солнечных штормов за всю историю наблюдений.

Мог ли этот «мегашторм» задеть Землю? Если бы так произошло, то начались бы отключения света по всему миру, взрывы электрических трансформаторов и перегорания всех устройств, включенных в розетки. Связь на всем земном шаре прервалась бы, потому что спутники, при помощи которых работают телефоны, телевидение, радио, Интернет и военная связь, могли бы лишиться энергии, управления и даже, возможно, выйти из-под контроля наземных ЦУПов и начать кувыркаться, утратив ориентацию. Астронавты и космонавты на Международной космической станции оказались бы в серьезной опасности подвергнуться воздействию радиации высокой интенсивности от бомбардировки солнечными частицами, а бортовые системы станции могли выйти из строя. Повреждения, вызванные последствиями такой солнечной бури, человечество могло бы устранять годами, и негативное воздействие на экономику одних только Соединенных Штатов могло превысить 2 трлн долларов, а это в двадцать раз больше, чем ущерб от бедствия наподобие урагана «Катрина», в денежном выражении. Наше зависящее от технологий общество было бы искалечено.

Этот снимок был сделан спутником Solar and Heliospheric Observatory[58]58
  SOHO, «Солнечная и гелиосферная обсерватория». – Прим. пер.


[Закрыть], совместно созданным NASA и Европейским космическим агентством в июле 2012 года. На правой стороне заметно облако солнечного материала, извергнутого Солнцем в процессе одного из самых быстрых зарегистрированных корональных выбросов массы. Источник: Европейское космическое агентство и NASA / проект SOHO

К счастью, флотилия солнечных обсерваторий внимательно следила за развитием этого космического события, и астрономы знали, что Земля не окажется «на линии огня». Но грань катастрофы была близко. Если бы тот корональный выброс случился бы несколькими днями раньше, то нашей планете грозила бы глобальная катастрофа, несравнимая ни с чем из того, что нам доводилось пережить.

Так спутник Solar Dynamics Observatory[59]59
  SDO, «Обсерватория солнечной динамики». – Прим. пер.


[Закрыть] выглядит на орбите (иллюстрация). Источник: NASA

Чтобы иметь возможность постоянно наблюдать Солнце, ученые построили с помощью NASA орбитальный научный аппарат Solar Dynamics Observatory. С помощью этого спутника мы можем видеть Солнце таким, каким еще никогда не видели.

– SDO изучает Солнце почти в постоянном режиме и следит за возникновением солнечных бурь, которые управляют нашей космической погодой здесь, в окрестностях Земли, – говорит Том Вудс, ответственный научный исполнитель по программе одного из инструментов на борту SDO под названием Extreme Ultraviolet Variability Experiment[60]60
  Эксперимент по исследованию вариаций в крайнем ультрафиолете. – Прим. пер.


[Закрыть]. Детальное изучение солнечных бурь очень важно, потому что эти события могут повлиять на бо́льшую часть техники, которую мы используем, – например, связь, GPS и другие навигационные системы. И одна из ключевых задач SDO – как можно лучше понять, что является причиной солнечных штормов и как мы можем предсказывать их.

Спутник SDO отличается как от всех остальных космических станций «солнечного патруля», так и от наземных солнечных обсерваторий, потому что у него совсем иное качество научных инструментов и выдает он на-гора совершенно не сопоставимый объем научных данных. Шесть камер высокого разрешения (с матрицами 4000 на 4000 пикселей) делают снимки Солнца каждые 0,75 секунды, и их разрешающая способность в десять раз выше, чем у телевизионной камеры HD-качества. SDO создает удивительные видеокадры солнечной поверхности, на которых раскрываются филигранные детали происходящего. Эта техника позволяет астрономам видеть особенности и явления солнечной активности, которые не были известны до запуска SDO на орбиту в 2010 году.

Кроме того, SDO стал одним из первых космических аппаратов, который производит огромное количество данных. Три напряженно работающих научных инструмента на его борту собирают 1,5 терабайта данных ежедневно. Этот объем аналогичен тому, как если бы кто-то записывал по музыкальному компакт-диску каждые 36 секунд или каждый день загружал 380 полнометражных фильмов или 500 000 песен.

Насколько велико Солнце по сравнению с планетами? На этой инфографике можно наглядно сопоставить его линейные размеры с размерами всех планет Солнечной системы. Источник: NASA / лаборатория реактивного движения

До того как мы познакомимся с SDO поближе, давайте внимательно взглянем на Солнце.

Как работает Cолнце?

Есть веская причина, почему область пространства по соседству с нами называется Солнечной системой. Солнце – центр нашей планетарной системы и в буквальном, и в фигуральном смыслах. Оно содержит 99,9 % всего вещества Солнечной системы и является источником жизни и энергии у нас на Земле. Сила тяготения Солнца доминирует надо всеми планетами и объектами, которые обращаются вокруг него. По всей видимости, с самого начала человеческой истории люди понимали, насколько Солнце важно для нашего мира и как оно влияет на последовательную смену дня и ночи, времен года и жизненных циклов.

Схема, условно показывающая Солнце в разрезе: можно видеть различные его слои. Источник: NASA

Около 4,6 млрд лет назад облако космического газа и пыли сгустилось в пространстве после взрыва звезды – такое явление называется взрывом сверхновой. Облако начало сжиматься, формируя протосолнечную туманность. Если фигурист, крутясь, прижмет к своему телу обе руки, он будет вращаться быстрее, и точно так же облако начало вращаться быстрее, сжимаясь. В нем формировался плотный горячий центр, который в конце концов образовал звезду – наше Солнце.

Тонкими линиями показана структура магнитного поля в атмосфере Солнца, определенная на основе магнитных измерений на его поверхности. Схема наложена на изображение Солнца в крайнем ультрафиолетовом спектральном диапазоне (длина волны 171 ангстрем). Этот тип излучения невидим для наших глаз, но условно изображен золотистым цветом. Источник: NASA / проект SDO / группа Солнечно-атмосферной съемки (AIA) / Солнечная и астрофизическая лаборатория Lockheed Martin (LMSAL)

Солнечная система сформировалась из оставшегося газа и пыли, которые обращались вокруг новорожденной звезды. Благодаря мощной гравитации Солнца планеты, астероиды, кометы и прочие тела постоянно продолжают двигаться, делая оборот за оборотом вокруг него.

Звезды, и Солнце в том числе, не горят. Скорее, то, что происходит в их недрах, можно сравнить с непрерывно взрывающимися водородными бомбами или гигантскими термоядерными реакторами. Звезды сжимаются под действием собственного веса, сокрушая все, что находится в их центре, и создавая гигантское давление газа. Благодаря этому давлению атомы водорода соединяются вместе, образуя газ гелий в результате процесса, который называется термоядерный синтез. В центральной области Солнца, в его ядре, каждую секунду синтезу подвергаются миллионы тонн водорода, высвобождая гигантскую энергию непрерывным потоком. Несмотря на то что родившейся в ядре энергии для того, чтобы добраться до поверхности Солнца, могут потребоваться миллионы лет, с того момента как свет Солнца срывается с его поверхности, ему нужно лишь восемь минут, чтобы преодолеть 150 млн км пространства, отделяющего Землю от Солнца.

Солнце можно разделить на два принципиально разных региона – внутренний и внешний. В каждом из них различают три слоя. Как мы уже поняли, ядро – точка, где начинается все действие благодаря тому, что термоядерная реакция создает температуру в 14 000 000 °C. Его окружает так называемая зона лучистого переноса, где тепло и свет медленно поднимаются от ядра в вышележащие области, и путь их через этот слой занимает миллионы лет. На третьем «этаже», конвективной области, тепловая энергия начинает активное движение: здесь материал Солнца вскипает и бурлит, и перенос тепла через него к поверхности занимает всего лишь около месяца.

Во внешнем регионе первый слой – это видимая поверхность Солнца, она известна как фотосфера. На ней астрономы могут наблюдать детали, такие, как солнечные пятна. Здесь Солнце «остывает» почти до 5500 °C. Следующие два слоя можно считать солнечной атмосферой: вначале идет хромосфера, активная область, где мы можем наблюдать струйные извержения (филаменты) и протуберанцы, рвущиеся прочь от Солнца, и где температура, как это ни странно, начинает расти и вчетверо превышает температуру в фотосфере – достигая 20 000 °C. Следующий, самый внешний слой под названием корона – это область, где газ разогревается до температур, превышающих 1 000 000 °C. Солнце настолько горячее, что бо́льшая часть газа в нем находится на самом деле в состоянии плазмы – это газообразная материя, в которой электроны отделены от ионов, таким образом, получается перегретая смесь заряженных частиц.

Одна из самых больших загадок в науке о Солнце – почему температура возрастает с высотой в хромосфере и короне. Ученые подозревают, что магнитная активность в солнечной атмосфере служит источником энергии помимо прямого нагрева.

Изучение природы солнечного магнитного поля является ключом к пониманию сразу нескольких аспектов солнечной активности. Однако у астрономов пока нет полного представления обо всех происходящих там процессах. Им известно, что, когда заряженные частицы солнечной плазмы находятся в движении, они естественным образом создают магнитные поля, которые изгибаются и замыкаются в петли. Когда эти поля взаимодействуют, они могут неожиданно выделять большое количество энергии в виде корональных выбросов массы или солнечных вспышек. Последние представляют собой явления меньшего масштаба по сравнению с корональными выбросами, но скорость движения их излучения равна скорости света, поэтому солнечные вспышки могут достигать Земли менее чем за восемь минут.

Магнитное поле Солнца проходит полный цикл активности периодически, через регулярные промежутки в одиннадцать земных лет, от состояния, которое называется солнечный максимум, когда солнечные пятна, вспышки и корональные выбросы случаются часто, к солнечному минимуму, когда Солнце относительно спокойно. Этот регулярный ритм остается неизменным многие тысячелетия, и, опять же, ученые бьются над тем, чтобы полностью понять его природу и причины.

Свидетельством того, что Солнце распространяет свое влияние на всю Солнечную систему, является тот факт, что горячая корона нашей звезды непрерывно растекается в пространстве, создавая то, что называется солнечным ветром, – поток заряженных частиц, который продолжает двигаться до расстояния, в сто раз превышающего расстояние между Землей и Солнцем, – в этом месте за самыми дальними окраинами Солнечной системы находится область под названием гелиопауза. Она похожа на колоссальных размеров пузырь, сформированный солнечным ветром – гелиосферой, – и является самой большой слитной структурой в Солнечной системе.

Астрономам известно, что срок существования звезд наподобие нашего Солнца составляет от 9 до 10 млрд лет. Сейчас возраст Солнца 4,6 млрд лет, и, значит, оно в самом расцвете сил, и пройдет еще целых 5 млрд лет до того момента, как оно начнет умирать, расширяясь и превращаясь в красный гигант.

Как работает SDO

Бо́льшую часть времени Солнце предстает для нас неизменным и одинаковым. Оно движется по нашим небесам каждый день, и мы не особенно задумываемся о нем. Нам известно, что Солнце отвечает за жизнь на Земле и очень сильно влияет на нас, однако с ним все еще связано много неразгаданных тайн. Мы не знаем точно, что происходит внутри Солнца или как энергия запасается и высвобождается в солнечной атмосфере. Мы также не вполне понимаем, почему случаются такие явления, как солнечные вспышки или корональные выбросы массы.

Solar Dynamics Observatory помогает нам понять природу Солнца, ведя наблюдения за светилом в больших и малых масштабах, а также расширяя диапазон наблюдений в спектральные области, где излучение невидимо человеческому глазу.

Одна из конкретных научных задач SDO – решение вопроса о том, как возникает магнитное поле Солнца, какова его структура и как именно запасенная в нем магнитная энергия переходит в другие формы и высвобождается в космос, превращаясь в солнечный ветер и потоки энергичных частиц. Определить, что является движущей силой магнитного поля, критически важно для понимания того, как Солнце влияет на Землю и всю остальную Солнечную систему.

День запуска: 11 февраля 2010 года

Я находилась в Космическом центре имени Кеннеди во Флориде. Рядом со мной стояла группа ученых, среди которых был Дин Песнелл, научный руководитель проекта SDO из Центра космических полетов имени Годдарда. Вместе мы с нетерпением ждали, когда SDO устремится в небо, уносимый ракетой Atlas. Ежась в своих пиджаках в это солнечное, но неуютно прохладное флоридское утро, Песнелл и коллеги обсуждали своего «малыша», который был бережно припрятан под головной обтекатель ракеты.

Размеры спутника Solar Dynamics Observatory составляют 4,5 м в высоту и 2 м в ширину, и ему предстояло попасть на орбиту, которую называют наклонной геосинхронной с высшей точкой 36 000 км над Землей. Там космический аппарат сможет проводить постоянные наблюдения за Солнцем, одновременно оставаясь на орбите, согласованной с вращением Земли.

Таким образом, SDO находится над одной и той же долготой на поверхности нашей планеты, причем эта долгота совпадает с координатой центра приема данных в Уайт Сэндз в американском штате Нью-Мексико. Поскольку SDO производит громадные объемы данных, поток которых более чем в 50 раз превышает поток данных от любого аппарата NASA в прошлом, на борту SDO не хранится ничего: вместо этого данные сразу же и непрерывно сбрасываются на единственную выделенную наземную станцию.

Нэнси Аткинсон берет интервью у Мадхулики (Лики) Гухатхакурты, ученой из штаб-квартиры NASA, работающей по программе SDO, а в это время сам космический аппарат в составе ракеты-носителя вывозят на Стартовый комплекс № 41 базы «Мыс Канаверал». Февраль 2010 года. Фото размещается с любезного разрешения Ромео Дюршера

– У SDO есть несколько усовершенствований по сравнению с аппаратом, работавшим по предыдущему проекту, – говорит Песнелл. – Во-первых, мы поставили улучшенные камеры. Каждая вдвое больше, чем самая лучшая камера, которая до этого момента летала в космос, и у нас их шесть штук. Размер матрицы составляет 4000 на 4000 пикселей, то есть каждая камера работает с 16 млн пикселей.

Он объяснил мне, почему так важно наблюдать полный диск Солнца в высоком разрешении:

– Если вы видите, как что-то происходит, то вы говорите: «О, вот это круто, это я хочу детально изучить!» Потом вы можете увеличить изображение и работать с мелкими деталями или, наоборот, расширить поле зрения, чтобы увидеть общую картину.

Но самое важное, по словам Песнелла, что этот спутник фотографирует часто, очень часто.

– До SDO самое лучшее, чего кто-либо мог добиться от космических научных аппаратов, – это съемка полного диска Солнца примерно каждые три минуты, а мы готовимся делать фото раз в десять секунд, – говорит он. – Таким образом мы сможем различить то, что сейчас происходит слишком быстро, и поэтому мы такие явления не замечаем. Это как если бы мы смотрели на вершины гор и совсем не видели бы долин между ними.

Также Solar Dynamics Observatory изучает количество энергии, излучаемое солнцем, и типы света, невидимые человеческому глазу, такие как ультрафиолетовое излучение.

Вид солнечного диска в мае 2012 года, когда на его краю можно было заметить множество протуберанцев. Этот снимок Солнца был сделан обсерваторией SDO в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Источник: NASA / Центр космических полетов имени Годдарда

– Это очень короткие волны, – поясняет Песнелл, – которые поглощаются в верхних слоях земной атмосферы, заставляя ее разогреваться и расширяться. Этот эффект может служить помехой околоземным спутникам и заставлять их сходить с орбиты. В предыдущих программах съемки ультрафиолетовое свечение Солнца в крайнем диапазоне фотографировалось раз в 90 минут, а мы будем его наблюдать каждые 10 секунд.

Схема расположения научных инструментов на борту Solar Dynamics Observatory (SDO). Источник: NASA

Загадочное магнитное поле тоже стало предметом изучения.

– Наша цель – понять жизненный цикл магнитного поля, – говорит Песнелл. – Солнечные магнитные поля являются причиной всего происходящего, и мы хотим знать, откуда они берутся, как попадают на поверхность и как именно затем преобразуются в солнечную активность.

Дин Песнелл с улыбкой подытоживает:

– Мы увидим очень много всего нового и многому научимся.

Согласно конструкторскому замыслу, на борту SDO находятся три научных инструмента, которые должны работать совместно. Один из них измеряет магнитное поле Солнца, другой – все то, что магнитное поле делает, а третий выполняет регистрацию и измерения тех эффектов, которые в результате возникают здесь, в окрестностях Земли.

Запуск космического аппарата SDO на ракете, стартующей с Пускового комплекса № 41 на базе ВВС США «Мыс Канаверал» 11 февраля 2010 года. Источник: NASA

Эти инструменты таковы.

Гелиосейсмический и магнитный формирователь изображений[61]61
  Helioseismic and Magnetic Imager, HMI. – Прим. пер.


[Закрыть] строит карту магнитного поля Солнца и может заглянуть под его непрозрачную поверхность, используя аналог ультразвуковой эхолокации, которая применяется геофизиками на Земле. Инструмент расшифровывает физическую картину происходящих на Солнце процессов, показывая нам, из каких источников рождается магнитное поле и как оно выглядит на поверхности.

Когда ракета с Solar Dynamics Observatory на борту (яркая полоса в правом нижнем углу фотографии) покинула пусковой комплекс на мысе Канаверал 11 февраля 2010 года, эксперты в области оптики, наблюдавшие за стартом, открыли новую разновидность ледяного гало. Источник: NASA / Центр космических полетов имени Годдарда / Энн Кослоски

Комплекс солнечно-атмосферной съемки[62]62
  Atmospheric Imaging Assembly, AIA. – Прим. пер.


[Закрыть] представляет собой группу из четырех телескопов, специально созданных для фотографирования поверхности и атмосферы Солнца. Спектральный охват инструмента распространяется на десять различных длин волн или цветов, выбранных так, чтобы наилучшим образом раскрывать ключевые аспекты солнечной активности. Снимки, которые выполняет AIA, показывают детали, ранее не виданные учеными.

Эксперимент по исследованию вариаций в крайнем ультрафиолете[63]63
  Extreme Ultraviolet Variability Experiment, EVE. – Прим. пер.


[Закрыть] измеряет флюктуации в излучательной способности Солнца. Ультрафиолетовое излучение оказывает прямое и мощное воздействие на верхние слои атмосферы Земли, нагревая ее, заставляя расширяться и разбивая в ней на части атомы и молекулы. Оборудование EVE поможет исследователям понять, насколько быстро изменяется светимость Солнца на этих длинах электромагнитных волн.

Научный руководитель проекта Дин Песнелл, рассказывающий о процессе запуска аппарата. Источник: Нэнси Аткинсон

Запуск SDO в тот февральский день был успешным – и великолепным! Ко всему прочему, оказалось, что, начав свой полет, аппарат SDO помог сделать новое открытие в атмосфере Земли. Удивленные зрители вблизи стартовой площадки увидели, как ракета Atlas пролетела сквозь ложное солнце, или паргелий – яркое пятно в небе, возникающее из-за рефракции солнечного света на кристаллах льда, которые попадаются в высоких перистых облаках. Ударные волны, созданные работой ракетного двигателя, разбежались по облакам и нарушили согласованную ориентацию ледяных кристалликов. Из-за этого ложное солнце исчезло и появились круговые волны вокруг летящей ракеты. Кроме того, яркая колонна белого света возникла рядом с ракетой Altas и потянулась вслед за ней в небо. Это зрелище никого не оставило равнодушным: зрители охали и ахали от восхищения.

– Мы увидели, как появилось это ложное солнце, и ракета с SDO на борту пролетела прямо сквозь него. Потом оно пропало, – рассказывал Песнелл после запуска. – Наверное, это первый раз, когда мы послали научный космический аппарат в ложное солнце, и специалисты уже изучают это явление, так что Solar Dynamic Observatory уже помогла нам узнать кое-что о нашей собственной атмосфере.

После того как эксперты изучили видеозапись полета, они пришли к выводу, что ударные волны от ракеты каким-то образом иначе расположили ледяные кристаллы, создав гало. Им не приходилось видеть такое явление раньше, и это событие помогло узнать о новом способе формирования паргелия.