А что с короной?

Ученые Института солнечно-земной физики СО РАН тестируют уникальный инструмент — многоволновой радиогелиограф. Он предназначен для изучения солнечной короны и позволит на совершенно новом уровне получать фундаментальные знания о природе солнечной активности. С прикладной точки зрения ценность радиогелоиграфа — в способности регистрировать солнечные возмущения, влияющие на Землю
А что с короной?
Фрагмент ряда антенн строящегося Сибирского радиогелиографа (урочище Бадары, Тункинская долина); все они синхронно наблюдают Солнце, поворачиваясь за ним как подсолнух
Евгений Козырев

Радиогелиограф строят с 2019 года в урочище Бадары в Республике Бурятия. Это один из семи инструментов Национального гелиогеофизического комплекса РАН, проекта класса «мегасайенс». Все объекты размещаются на территории Иркутской области и Бурятии.

Радиогелиограф состоит из трех независимых антенных решеток, которые работают в разных диапазонах частот — 3‒6, 6‒12 и 12‒24 гигагерц. Сейчас идет проверка решетки диапазона 3‒6 гигагерц.

«Решетка уже готова, — рассказал “Стимулу” заведующий отделом радиоастрофизики Института солнечно-земной физики (ИСЗФ) СО РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Лесовой. — Мы убедились в том, что выбрали правильную концепцию, что изображения, которые мы с нее получаем, имеют ту чувствительность и то пространственное разрешение, которое мы ожидали. Но как всегда, когда запускается большой инструмент, в ходе тестовой эксплуатации выясняется масса нюансов, и ребята, которые разрабатывали оборудование, кое-что меняют, переделывают, настраивают».

Две остальные решетки находятся в стадии монтажа. В августе специалисты планируют получать такие же тестовые изображения на решетке 6‒12 гигагерц, а решетка 12‒24 будет последней, ее тестовые наблюдения пройдут осенью. Если все недочеты удастся устранить, то к концу года радиогелиограф должен выйти на режим наблюдений на всех трех решетках.

Проект Национального гелиогеофизического комплекса включает в себя строительство семи уникальных объектов: радиогелиографа в Тункинской долине у поселка Бадары, набора оптических инструментов в Тункинской долине у села Торы, лидара и комплекса радаров на Малом море, крупного солнечного телескопа на территории Саянской солнечной обсерватории у поселка Монды, нагревного стенда под Ангарском и центра обработки данных в Иркутске.


СОЛНЕЧ ОБСРВТ.jpg
Саянская солнечная обсерватория (гора Часовые Сопки вблизи пос. Монды); в состав обсерватории входит много инструментов, с помощью которых можно наблюдать Солнце, звезды, самые далекие галактики, космический мусор, космические лучи и земное электричество
Евгений Козырев

Что происходит в короне

Радиогелиограф предназначен для исследования микроволнового радиоизлучения солнечной короны. Видимая поверхность Солнца называется фотосферой. Солнечная атмосфера, расположенная над фотосферой, делится условно на хромосферу и корону. Изучение активности солнечной короны и всей ее структуры необходимо и с научной, и с практической точки зрения. Например, выбросы корональной массы, с одной стороны, сами по себе физически интересны, а с другой — являются одним из основных драйверов космической погоды, то есть определяют состояние околоземного пространства, которое, в свою очередь, влияет на всю Землю.

Корону исследуют либо с помощью установленных на спутниках ультрафиолетовых или рентгеновских телескопов, либо посредством наземных радиотелескопов. Изучать корону сложно, излучение фотосферы очень мощное, и оно при прочих равных условиях сильно превышает излучение короны. Раньше корону наблюдали только во время затмений или с помощью коронографов. Ее, собственно, так и обнаружили, когда солнечный диск был закрыт.

«Когда происходят вспышки либо выбросы, на фотосфере практически ничего не меняется, она стабильна, потому что там очень мощные магнитные поля, чему-то там измениться сложно, — поясняет Сергей Лесовой. — А изменения происходят высоко над фотосферой, там, где хромосфера переходит в корону, — в так называемой переходной области и в самой короне. И чтобы понять, что происходит, нужно как раз за этими областями и следить».

magnifier.png «В момент нарушения теплового равновесия, когда появляются ускоренные (нетепловые) электроны, меняется спектр радиоизлучения. То есть чтобы понять, что происходит в короне, нужно смотреть радиоспектры, например микроволновые, в каждой точке Солнца»

Радиогелиограф регистрирует радиоизлучение свободных электронов корональной плазмы, в отличие, например от ультрафиолетовых инструментов, регистрирующих излучение в определенных линиях железа. Свободные электроны могут быть тепловыми или надтепловыми — ускоренными. И в том и в другом состоянии они излучают радиоволны, тогда как излучение в линиях железа существенно зависит от конкретных значений температуры окружающей плазмы.

«В момент нарушения теплового равновесия, когда появляются ускоренные (нетепловые) электроны, — говорит Сергей Лесовой, — меняется спектр радиоизлучения. То есть чтобы понять, что происходит в короне, нужно смотреть радиоспектры, например микроволновые, в каждой точке Солнца. Попытки создания таких инструментов были, но пока они успехом не увенчались. А наш радиогелиограф для этого и предназначен — получать спектр микроволнового излучения в различных частях Солнца с точностью до пространственного разрешения. Через интерпретацию спектра мы будем понимать, какие физические процессы там происходят. Одна из задач — определение мест ускорения электронов. Считается, что именно там начинается вспышка».

Очень важная задача солнечной радиоастрономии — измерение корональных магнитных полей. Считается, что энергия солнечного магнитного поля является источником солнечной активности. И главное здесь — понять, истратился ли определенный запас магнитной энергии на вспышку. Для этого нужно измерить магнитное поле в короне до вспышки, после вспышки и посмотреть, как оно меняется во время вспышки. Сделать это другими способами, кроме как через наблюдения микроволновых спектров, пока никому не удалось.


ЛЕСОВОЙ.jpg
Заведующий отделом радиоастрофизики Института солнечно-земной физики СО РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Лесовой
Фото предоставлено Сергеем Лесовым

«И чем шире мы захватываем диапазон частот, в которых мы это измеряем, тем лучше, — поясняет Сергей Лесовой. — Диапазон рабочих частот — важный параметр радиогелиографа. Следующие параметры — это пространственное и временное разрешение. Временное разрешение — порядка секунды, чтобы было возможно обрабатывать данные радиогелиографа совместно с данными спутниковых обсерваторий. Угловое пространственное — чем меньше, тем лучше, но на микроволнах получить данные с детализацией в одну угловую секунду не получается даже на самых совершенных инструментах. Сказывается рассеяние излучения на неоднородностях короны. Нам надо получить разрешение хотя бы до пяти угловых секунд. Коротко говоря, радиогелиограф получает серию изображения в диапазоне частот 3‒24 гигагерц с интервалом времени порядка секунды и угловым разрешением 20‒5 угловых секунд».


РАДАР.jpg
Иркутский радар некогерентного рассеяния (Усольский район); радар настолько мощный, что с его помощью можно увидеть 5-рублевую монету с расстояния 300 км
Евгений Козырев

От гелио до гео

Национальный гелиогеофизический комплекс РАН, в который входит многоволновой радиогелиограф, предназначен для прорывных исследований в области физики солнечно-земных связей. Он должен обеспечить на фундаментально новом уровне экспериментальные возможности по исследованию всей среды от Солнца до Земли. И у России сейчас есть все возможности построить для этого комплекса инструменты самого передового уровня.

У многих на слуху сейчас проект по разработке и строительству синхротронов, и, как говорят эксперты, по уровню технологических решений, по уровню соответствия мировым технологиям Национальный гелиогеофизический комплекс вполне соответствует синхротронному проекту.


МЕДВЕДЕВ.jpg
Директор Института солнечно-земной физики СО РАН, член-корреспондент РАН Андрей Медведев
Пресс-служба ИСЗФ СО РАН

Вторым инструментом, документация по которому проходит строительную госэкспертизу, является крупный солнечный телескоп-коронограф с диаметром зеркала три метра. «Сейчас на Гавайях вводится в строй солнечный гелиоскоп диаметром четыре метра, и наш инструмент не успевает стать рекордсменом, но мы надеемся, что наш трехметровый гелиоскоп обеспечит качество не хуже, а может, в некотором смысле лучше, чем американский четырехметровый, — рассказал “Стимулу” директор ИСЗФ, член-корреспондент РАН Андрей Медведев. — Мы проходим госэкспертизу в этом году, со следующего должны начать его строительство. Он будет расположен на границе с Монголией на территории Саянской солнечной обсерватории в районе поселка Монды».

magnifier.png По уровню технологических решений, по уровню соответствия мировым технологиям Национальный гелиогеофизический комплекс вполне соответствует синхротронному проекту

По словам Андрея Медведева, следующий крупный инструмент из запланированных, всеатмосферный радар, — тоже уникальная установка. Радаров такого потенциала с таким объемом диагностических возможностей по атмосфере от нижних слоев до самых верхних, то есть ионосферы и уровня взаимодействия с магнитосферой, на сегодня не существует. Если взять технологию некогерентного рассеяния, которое обеспечивает диагностику самых верхних слоев атмосферы, — в мире есть 11 таких радаров. А что касается диагностики этим методом атмосферы в нижней области, то есть от тропосферы до мезосферы, до высоты 100 км, то таких установок довольно много. Но инструментов, объединяющих в себе свойства установок для исследования нижней атмосферы до высот 100 км и верхней атмосферы от 100 км до 1500 и 2000, в мире пока нет.

«Опираясь на опыт, которым располагает Институт солнечно-земной физики, мы с уверенностью можем сказать, что всю технологию, от самого низа до самого верха, представляем очень хорошо, — отметил Андрей Медведев. — А для того, чтобы исследовать верхнюю атмосферу, нужны гигантские мощности и гигантские апертуры, и под Иркутском существует такой — единственный в России — Иркутский радар некогерентного рассеяния, который мы построили и эксплуатируем с 1990-х годов. Теперь мы понимаем, какие требования должны предъявить новой установке. И в стране существуют организации, которые готовы разработать для нас такую установку и поставить ее в ограниченные сроки. Это Радиотехнический институт имени Минца, с которым мы сейчас плотно работаем».


телескопы.jpg
Звездные телескопы АЗТ-33ВМ и АЗТ-33ИК – самые крупные оптические инструменты Саянской солнечной обсерватории (гора Часовые Сопки вблизи пос. Монды)
Евгений Козырев

Опыта достаточно

С началом развития космической эры научные организации, которые должны были поддерживать космические миссии, было решено равномерно распределить по территории Советского Союза.

«Наш институт организован в 1961 году, и одним из основных его назначений была поддержка космической деятельности Советского Союза, — рассказывает Андрей Медведев. — В Иркутской области существуют очень хорошие астроклиматические условия для оптических наблюдений. Минимум облачности, минимум ветровой турбулентности — все для работы крупноапертурных телескопов. И еще большая высота. У нас есть горная местность — Саянская солнечная обсерватория расположена на высоте больше двух тысяч метров над землей с хорошим астроклиматом, это обеспечивает устойчивые наблюдения в оптической области».

Есть в институте и крайне удаленная от Иркутска обсерватория, которая тоже участвует в общей программе. Это хорошо оснащенная оптическая обсерватория в Норильске, где ведутся наблюдения всех воздействий космической погоды или солнечных возмущений на земную магнитосферу, ионосферу на уровне полярных широт.

magnifier.png «Институт расположен в крайне удачном месте с точки зрения распределенных наблюдений за солнечно-земными событиями по широте, он хорошо расположен с точки зрения астроклиматических условий; наконец, он с самого начала был нацелен именно на развитие крупной экспериментальной базы в этой области исследований»

«Институт, во-первых, расположен в крайне удачном месте с точки зрения распределенных наблюдений за солнечно-земными событиями по широте; во-вторых, он хорошо расположен с точки зрения астроклиматических условий; наконец, он с самого начала был нацелен именно на развитие крупной экспериментальной базы в этой области исследований», — отметил Андрей Медведев.

Если многие институты, особенно в центре страны, во многом сосредоточивались на теоретических изысканиях, то ИСЗФ с самого начала формировал коллектив исследователей, конструкторов, ученых, которые работают в экспериментальной области. И именно за развитие крупного экспериментального научного приборостроения институт еще в 1980-е получил Орден Трудового Красного Знамени.

Научным руководителем проекта по созданию Национального гелиогеофизического комплекса РАН является Гелий Жеребцов. Идею он впервые сформулировал в начале 2000-х, она постепенно развивалась, и в 2008-м была одобрена уже на уровне руководства Российской академии наук, заслушана и одобрена президентом России.

«Наш опыт — опыт коллектива конструкторов, инженеров, которые обслуживают эти уникальные установки, он и является базой для того, чтобы можно было создать такой амбициозный проект, создать, написать его обоснование, защитить его на всех уровнях до уровня правительства и даже президента России и получить на него государственное финансирование», — считает Андрей Медведев.

Еще по теме:
17.09.2021
Он сформулировал задачу, которую не могут решить много лет, открыл новые пространства и предвосхитил Эйнштейна
15.09.2021
Объявленная администрацией Байдена программа массовой ревакцинации вызвала критическую реакцию части мирового медицинско...
13.09.2021
Ученые провели исследование, которое должно положить конец спорам о том, какое хирургическое вмешательство лучше для бол...
10.09.2021
Вспоминаем выдающегося американского философа, который утверждал, что «мысль истинна постольку, поскольку вера в нее выг...
Наверх