«Жучок» в короне Солнца

В августе 2018 года в космос отправится солнечная обсерватория «Паркер». Названный в честь астрофизика Юджина Паркера аппарат приблизится к Солнцу на рекордное расстояние, и это хороший повод поговорить о том, как и зачем человечество пытается подобраться к нашей звезде как можно ближе.

«Паркер» будет обращаться по орбите с перигелием (самой близкой к Солнцу точкой) всего в 6,2 миллиона километров. Это очень близко: Земля удалена на 150, а Меркурий не подходит к звезде ближе, чем на 46 миллионов километров. При этом падающий на аппарат поток солнечных лучей возрастает обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому тепловая нагрузка на «Паркер» увеличится не в 24 раза по сравнению с земной (настолько сократится дистанция), а в 520 раз; во столько же вырастет радиационная нагрузка на электронные компоненты.

Солнечный зонд «Паркер», компьютерная модель. Обратите внимание на сложенные солнечные батареи и черный конус в передней части аппарата — это радиаторы, сбрасывающие избыток тепла за счет излучения в тени от теплозащитного щита. Иллюстрация: NASA / Johns Hopkins APL / Steve Gribben

Защищать наиболее важные части «Паркера» будет специальный щит из углепластика, выдерживающий нагрев до 1300 градусов Цельсия. Щит расположен только с одной стороны, поэтому случайный сбой в системе ориентации аппарата приведет к его гибели менее чем за минуту — отсюда жесткие требования к надежности системы автоматического управления, так как времени на коррекцию положения «руками» с Земли просто не будет.

Другое инженерное решение для борьбы с перегревом — водяное охлаждение солнечных батарей. Их также разместили под острым углом к потоку солнечных лучей: на таком расстоянии от Солнца они выдадут необходимую мощность даже при очень полого падающем свете.

Солнечная корона, внутрь которой нырнет аппарат, нагрета до миллионов градусов, что явно выше, чем проектные 1300 °C щита «Паркера». Ведущий инженер в ответственной за теплозащиту «Паркера» группе, Бетси Конгдон, поясняет: температура и поток тепла — это разные величины. Корона состоит из разреженной плазмы, поэтому передает аппарату не так много теплоты.

«В духовку, разогретую до 200 градусов Цельсия, можно ненадолго залезть рукой и не обжечься, поскольку воздух разрежен, — говорит Конгдон, — и солнечная корона ведет себя так же».

Инженеры проводят испытания солнечных батарей зонда. Фото: NASA / Johns Hopkins APL / Ed Whitman

Кроме жестких температурных и радиационных условий новая солнечная миссия NASA примечательна тем, с какой скоростью она будет двигаться. «Паркер» будет разгоняться до 200 км/с — втрое быстрее предыдущего рекордсмена, тоже солнечного зонда, Helios-B. Достигнуть такой скорости планируется как за счет разгонного блока на старте, так и гравитационных маневров: пролетая мимо Венеры, «Паркер» получит дополнительный импульс. Правда, достичь экстремальной точки, с минимальным расстоянием до Солнца и максимальной скоростью, получится не сразу — в NASA предполагают, что аппарат совершит по меньшей мере 26 витков вокруг светила и только 22-й, в декабре 2024 года, будет с самым близким перигелием.

Испытание солнечных батарей нагревом до температуры красного свечения. Фото: NASA / Johns Hopkins APL / Ed Whitman

Но зачем?

«Паркер» не единственный рукотворный объект, который отправляется к Солнцу. Если оставить в стороне летавший к Меркурию зонд MESSENGER, то в ближайших планах космических агентств можно увидеть и европейский Solar Orbiter. Обсерватории же, специально предназначенные для наблюдения за светилом с чуть более безопасного расстояния, запускались практически с самого начала космических полетов — и не ради утоления сугубо научного любопытства.

Солнце — основной источник энергии на Земле, если не считать геотермальной и ядерной энергии. Активность Солнца, судя по историческим данным, не склонна резко меняться со временем, но случающиеся иногда вспышки и выбросы раскаленной плазмы приводят к заметным возмущениям магнитного поля планеты. Влияние магнитных бурь на здоровье, по всей видимости, заметно преувеличено, однако крупный геомагнитный шторм способен спровоцировать масштабные отключения электричества, не говоря уж о сбоях в работе спутников. Прогнозирование таких событий, пожалуй, самая важная практическая причина для исследования нашей звезды.

На борту «Паркера» установлены приборы для измерения напряженности электромагнитного поля Солнца и определения характеристики частиц, испускаемых звездой. Это позволит ответить на вопросы о взаимодействии солнечной короны с фотосферой, верхним слоем Солнца, понять, как зарождаются и разгоняются частицы солнечного ветра.

Наблюдения за короной изнутри позволят лучше представить конфигурацию магнитных полей, которые играют ключевую роль в физике Солнца, но наблюдать которые со стороны можно лишь по косвенным признакам, таким как движение выбрасываемых звездой протуберанцев, которые движутся вдоль силовых линий магнитного поля.

Солнечный протурберанец крупным планом. Фото: NASA / SDO

Детальной теории, которая бы полностью описывала процессы в верхних слоях атмосферы Солнца и короне, пока не существует. Поэтому изучение светила продолжается, а недостающие данные приходится добывать как наблюдениями издалека, так и полетами в экстремальных условиях.

Подобраться как можно ближе для того, чтобы добраться как можно дальше

Существует, впрочем, еще один повод лететь как можно ближе к Солнцу — исследование самых удаленных частей Солнечной системы и даже изучение экзопланет. Современные технологии не позволяют добраться до Плутона и транснептуновых объектов быстрее, чем за семь лет, а уж про облако Оорта, далекий источник долгопериодических комет на самой границе нашей звездной системы и говорить нечего — оно настолько далеко, что все еще можно сомневаться в его существовании, а полет к нему растянется на столетие.

Однако именно Солнце могло бы сократить эти сроки в разы, причем без разработки радикально новых технологий. Так, если верить расчетам десятилетней давности, солнечный парус, сделанный из бериллиевой фольги в форме диска диаметром около 1,9 км (это много, но в принципе реалистично), при собственной массе в 150 килограммов и такой же полезной нагрузке мог бы разогнаться до немыслимых по современным меркам 400 км/с, стартовав с отметки 15 млн км от Солнца, что в два раза дальше, чем перигелий «Паркера».

Аппарат IKAROS Японского космического агентства, пожалуй, единственный успешный солнечный парусник. Квадрат с диагональю 20 метров — это еще не двухкилометровый диск, но и первые спутники были заметно меньше МКС. Изображение: Andrzej Mirecki / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

На такой скорости полет к облаку Оорта, на расстояние в 2500 раз больше радиуса земной орбиты, займет уже не столетия, а всего тридцать лет. Такой зонд можно будет отправить к Девятой планете (если она будет найдена), далеким астероидам и кометам (сколько их всего на задворках нашей планетной системы?), использовать для изучения межзвездного пространства и не только.

Одной из целей подобного аппарата мог бы быть гравитационный фокус Солнца. Солнце, действуя как гигантская линза за счет отклонения света в гравитационном поле, собирает свет в этой точке. И теоретически, разместив в этом месте обсерваторию, мы могли бы наблюдать удаленные объекты вроде экзопланет с фантастической разрешающей способностью.

Безусловно, запуск солнечных парусников в облако Оорта, к гравитационному фокусу Солнца или иным удаленным объектам — дело даже не ближайших десяти лет. Но отправляемые сегодня аппараты уже позволяют решить ряд задач вроде создания эффективной теплозащиты и компонентов, способных выдерживать экстремальный нагрев в сочетании с облучением.