Новые экспериментальные данные о терагерцевом излучении Солнца восполнят пробел в данных о спектре солнечного радиоизлучения во время вспышек
Фото: GLOBAL LOOK PRESS.
Осенью на МКС полетит прибор «Солнце-Терагерц», по сути это полноценный радиотелескоп, который будет наблюдать за дневной звездой в еще не изученном диапазоне электромагнитного излучения. К работе он приступит ровно через год. Ученые рассчитывают уточнить модели формирования солнечных вспышек, а может, даже научиться их предсказывать! О том, как российский прибор решит эту амбициозную задачу, KP.RU рассказал руководитель проекта, доктор физико-математических наук, заведующий Лабораторией физики Солнца и космических лучей Физического института им. П.Н. Лебедева РАН Владимир Махмутов.
НЕПРЕДСКАЗУЕМОЕ СВЕТИЛО
Солнце – на фоне других звезд Галактики – крайне спокойная звезда. Вы бы на другие светила посмотрели! И тем не менее: каждые (приблизительно) 11,5 лет (астрономы предпочитают говорить о периоде в 22 года) оно испытывает максимум активности. Пятна – области мощного магнитного поля. Вспышки – то есть, по сути, взрывы. Выбросы в космос заряженной плазмы. Когда облака плазмы достигают Земли, может начаться магнитная буря. Люди жалуются: голова болит! Даже если, как уверяют врачи, это всего лишь психосоматика, воздействие магнитных бурь на ионосферу, на магнитное поле, наконец, на спутники и радиосвязь, громадно.
И ведь это далеко не все. Астрономы живут в напряженном ожидании повторения «события Кэррингтона», мегавспышки 1859 года, подобной которой с тех пор, к счастью, не было. Случись такое «событие» сейчас, говорят, вся электроника на Земле погорит (хотя многие думают, что страхи преувеличены).
Не прожарит – так заморозит. Другие исследователи опасаются повторения Малого ледникового периода XVI-XVIII веков, когда солнечная активность резко снизилась, и на Земле было очень холодно. Мы толкуем о глобальном потеплении, а есть гарантия, что ледниковый период не вернется?
И на все эти страхи и вопросы ответ один: мы пока не можем точно предсказывать солнечные вспышки даже на несколько дней вперед. Единственное, что мы можем: вот, есть активная область, скоро она расположится напротив Земли и, вероятно, «выстрелит». Или нет. О длинных прогнозах речи вообще нет. Кто знал, что нынешний максимум солнечной активности окажется именно таким (довольно ярким, но были и мощнее)? Кто знает, каким будет следующий?
Несмотря на то, что Солнце неплохо изучено, а физические модели, что там да как, есть, и они проверены наблюдениями, мы, возможно, не знаем ответов на самые важные вопросы.
А что нам мешает узнать?
УЗКОЕ СПЕКТРАЛЬНОЕ ОКНО
Можно уйти в дебри и толковать о совершенстве и несовершенстве существующих моделей («а термоядерные ли реакции обеспечивают излучение Солнца», вопрошают блогеры). А можно сосредоточиться на очевидном: несмотря на то, что Солнце наблюдается постоянно, есть «слепые зоны». Мы не видим Солнца во всем его спектральном многообразии.
Как, по-вашему, наблюдают Солнце (и не только его)? Фото в телескоп, вот диск, вот пятна? Нет, так о Солнце почти ничего не узнаешь. Глаз человека видит только в узком диапазоне длин волн. А природе нет до этого дела. Природа «работает» на всех волнах, от очень коротких (гамма-лучи) до очень длинных (радио). И часто что-то происходит, например, в рентгеновском диапазоне, а в видимом – тишь да гладь.
И тут начинаются сложности. Многое (большинство) блокируется атмосферой. Чтобы наблюдать, надо выводить на орбиту. Именно поэтому «Солнце-Терагерц» летит на МКС.
А что это вообще такое, терагерцевый диапазон? И почему он так важен?
УЖЕ НЕ ТЕПЛО, ЕЩЕ НЕ РАДИО
Все слушают радио. Посмотрите на шкалу вашего приемника. Видите, 88, или 102. И подписано: мегагерцы.
Частота излучения измеряется в герцах (одно колебание в секунду). Волна, которая приносит вам в дом музыку или любимое радио, колеблется миллионы раз в секунду (поэтому – мегагерцы).
Частота терагерцевого излучения еще выше. Приставка «тера» обозначает 10 в 12-й степени. Очень высокая частота. Такое излучение называют еще субмиллиметровым (потому что длина волны – доли миллиметра). По сути, это граница радио и инфракрасного диапазонов. А где нечто пограничное, там всегда трудности. Вот есть радиоастрономия. А есть инфракрасная астрономия. А это как бы ничье.
Уникальный российский прибор предскажет вспышки на Солнце
Фото: GLOBAL LOOK PRESS.
Солнце никогда не наблюдалось в терагерцевом диапазоне, говорит Владимир Махмутов.
- Таких измерений не было. Большинство наблюдений за процессами на Солнце проводятся наземными телескопами в мега- и гигагерцевом интервале частот, которые проходят через земную атмосферу к наземному наблюдателю. Существуют лишь некоторые узкие субмиллиметровые “окна прозрачности”, прилегающие к терагерцевому диапазону, например, на частотах 212 и 405 ГГц. И солнечный субмиллиметровый телескоп (SST), расположенных в горах Аргентины, успешно проводит исследования солнечных вспышек на этих частотах.
Как вы поняли, терагерцевое излучение вдобавок блокируется атмосферой.
- Терагерцевое излучение (условно диапазон частот от ~0.4 до 20-30 ТГц) от Солнца очень сильно поглощается водными парами атмосферы. Поэтому особый интерес представляет проведение внеатмосферных измерений солнечного такого излучения. В этом смысле, планируемый эксперимент “Cолнце-Терагерц” на Российском сегменте МКС направлен на проведение таких измерений в течение ближайших двух-трех лет, - говорит Владимир Махмутов.
А может, и ну его? Ну пограничное и пограничное. Или это важно? Важно.
ВИДЕТЬ САМОЕ НАЧАЛО
Как мы уже говорили, возможно, именно наблюдения в терагерцевом диапазоне – ключ, который позволит хотя бы отчасти прогнозировать солнечные вспышки.
- В ряде недавних работ показано, что субмиллиметровое излучение возникает на ранней стадии развития мощных солнечных вспышек. На этой стадии обнаружено начало процесса в активной области, который приводит к ускорению заряженных частиц до релятивистских (околосветовых – КП) энергий, мощным выбросам корональной плазмы, так называемых CME (Coronal Mass Ejections). По мере развития мощной вспышки временная динамика субмиллиметрового излучения хорошо коррелирует с потоками рентгеновского и гамма - излучения солнечной вспышки. Новые экспериментальные данные о терагерцевом излучении Солнца восполнят пробел в данных о спектре солнечного радиоизлучения во время вспышек. Это позволит уточнить модель развития солнечной вспышки и соответственно улучшить оперативный прогноз этих ярких событий, определяющих состояние межпланетной среды и околоземного пространства, - говорит Владимир Махмутов.
МОДЕЛЬНЫЕ ТОНКОСТИ
Если вы думаете, что вспышка в терагерцевом диапазоне просто раньше «светит», чем в видимом, значит, мы ее «предскажем» - может, вы отчасти и правы, но в целом все сложнее. Терагерцевые наблюдения позволят уточнить модели Солнца, то есть понять, как там все устроено. А уже это даст инструмент для «предсказаний».
- Предложено несколько теоретических моделей для описания частотного спектра с увеличивающимися по величине потоками терагерцевого излучения, - рассказывает Владимир Махмутов, - Эти модели (физические механизмы) можно разделить на два класса: тепловой природы и нетепловые. К ним относятся, например, черенковский механизм излучения электронов и позитронов, синхротронное (гиросинхротронное) излучение электронов и позитронов, хромосферное тормозное излучение, плазменный механизм и др. В нетепловых моделях необходимо наличие высокоэнергичных (релятивистских) электронов в солнечной хромосфере.
Здесь немного поясним. Лампочка светит, потому что она нагрета (тепловое излучение). Светодиод светит, потому что электроны совершают переход через слои полупроводника, излучая свет (нетепловое). Способов светить «не через тепло» много, Владимир Махмутов перечислил некоторые. Но электрон в любом случае должен быть.
- Возникает вопрос о происхождении этих электронов: они ускорены в самой хромосфере (нижней атмосфере Солнца – КП) или могли распространиться от коронального источника («этажом выше» - КП)? - поясняет Владимир Махмутов, - Также для физических моделей необходима определенная величина плотности электронов в излучателе.
В корональных источниках, говорит ученый, то есть высоко над «поверхностью» Солнца, плотность электронов на порядки меньше, чем в хромосфере:
- Для теплового (тормозного) источника субмиллиметрового (терагерцевого) излучения необходимы протяженные области с температурой в несколько сотен тысяч градусов на корональных высотах или в хромосфере.
Появление новых данных о терагерцевом солнечном излучении позволит проверить существующие теоретические модели источников излучения.
- Возможно, что в природе реализуется комбинированный источник, - предполагает Владимир Махмутов.
Вопрос важен не только для Солнца: разве мы не хотим понять, как в целом светят звезды? Взять Бетельгейзе, знаменитую звезду в созвездии Ориона. То говорят, что она взорвется. И ждут якобы напастей на Земле. То, что не взорвется. Или та знаменитая звезда в Северной Короне, вспышки которой ждали все минувшее лето. А она пока так и не взорвалась (на днях ее видел, и не думает). Мало мы знаем о звездах, хотелось бы побольше.
- Существует ли общий механизм вспышечного энерговыделения на Солнце и других астрофизических объектах? Так, обнаружено, что для спектра радиоизлучения от известной звездной системы Альфа Центавра также характерен рост величины потока в субмиллиметровом диапазоне, прилегающем к терагерцевым волнам. А что происходит в области терагерцевых волн? Для ответа на этот вопрос понадобится разработка и изготовление специальной космической научной аппаратуры для регистрации малых сигналов в терагерцевом диапазоне, - поясняет Владимир Махмутов.
Так что ждем запуска! Возможно, мы научимся предсказывать вспышки не только нашего светила, но и бесчисленных звезд, рассеянных по небосводу.
СПРАВКА КП
Что такое «Солнце-Терагерц»
Массивный (47 кг) прибор, несущий восемь детекторов, каждый настроен на свой частотный канал. Устройство зафиксирует солнечное излучение в диапазонах от 0,4 до 12 терагерц. Особая платформа позволит отслеживать Солнце. Прибор должен прилететь на МКС осенью, а весной 2026-го космонавты установят его снаружи на российском сегменте. Сейчас он находится в корпорации «Энергия» и готовится к запуску. Датчики, электроника должны быть адаптированы к работе в условиях открытого космоса, подчеркивает Владимир Махмутов.
