Плазменный ураган из корональной дыры

Солнечный ветер дует со скоростью сотни километров в секунду, его температура — сотни тысяч градусов. Чтобы избежать неприятных последствий для Земли, за ветром нужно внимательно наблюдать. Новые детекторы для этой цели недавно разработаны в России
Плазменный ураган из корональной дыры
Влияние солнечного ветра на магнитосферу Земли
Изображение предоставил Иван Зимовец

В России разработан новый детектор солнечных частиц. Прототип телескопа солнечных энергичных частиц (ТСЭЧ) создали исследователи из Института космических исследований (ИКИ) РАН совместно с коллегами из МФТИ и Института ядерных исследований РАН. Прибор входит в комплекс компактной аппаратуры для измерения корпускулярного излучения Солнца. Помимо ТСЭЧ в его составе лабораторные макеты плазменного ионного компактного анализатора (ПИКА) и электронного компактного спектрометра (ЭКОС).

ТСЭЧ.jpg
Детектор лабораторного макета Телескопа солнечных энергичных частиц ТСЭЧ со светоизолированными оптическими волокнами на стойке
ИКИ

ПИКА и ЭКОС предназначены для детектирования ионов и электронов солнечного ветра (СВ) в диапазонах энергий 0,5–10,0 кэВ и 0,03–10 кэВ, соответственно. ПИКА позволяет выделять в потоке СВ ионы разных масс, а ЭКОС — одновременно регистрировать электроны в широком диапазоне энергий. ТСЭЧ должен измерять намного более энергичные протоны и электроны в диапазоне энергий 10–100 МэВ и 1–10 МэВ соответственно.

Новый прибор определяет энергетические спектры детектируемых частиц на основе анализа зависимостей потерь ими энергии при прохождении последовательно расположенных светоизолированных пластиковых сцинтилляционных детекторов (сцинтилляторы — вещества, излучающие свет при поглощении ионизирующего излучения). Из-за взаимодействия с веществом сцинтиллятора частицы теряют в них энергию, определить которую можно посредством детектирования производимых ими вспышек света. Основные достоинства прибора — компактность и легкость, а также относительная простота конструкции.

 

Как поймать солнечный ветер

Частицы СВ имеют энергии от нескольких электронвольт до нескольких килоэлектронвольт. Один электронвольт соответствует энергии, приобретаемой элементарным зарядом (которым обладают электроны и протоны) при прохождении разницы потенциалов в 1 В. Это очень небольшая энергия. Детекторы частиц таких энергий отличаются от детекторов для измерения высокоэнергичных частиц. Суть приборов для измерения СВ заключается в следующем: сначала на основе контролируемых комбинаций электрических и магнитных полей пропускаются приходящие заряженные частицы с физическими характеристиками в заданных диапазонах, а затем фиксируется приход каждой такой частицы (иными словами, ведется их подсчет) при помощи специального детектора.

ЗИМОВЕЦ.jpg
Старший научный сотрудник отдела физики космической плазмы ИКИ РАН Иван Зимовец
ИКИ

«В качестве таких детекторов мы используем вторичные электронные умножители, сокращенно ВЭУ, — рассказал “Стимулу” старший научный сотрудник отдела физики космической плазмы ИКИ РАН Иван Зимовец. — ВЭУ позволяют многократно усиливать электрический ток единичной элементарной частицы до макроскопического значения, которое может быть измерено с помощью электроники. В приборе ПИКА мы используем ВЭУ без позиционной чувствительности, а в ЭКОС — с позиционной чувствительностью. Возможность определять координаты прихода частиц на детекторе позволяет дополнительно измерять некоторые характеристики детектируемых частиц (в частности, угол прилета и энергию частицы)».

Такие детекторы хорошо себя зарекомендовали в различных отраслях — космических и ядерных исследованиях, метрологии. Их достоинства — надежность и удобство эксплуатации, малые масса и габариты.

«Это крайне важно для нас, — поясняет Иван Зимовец, — поскольку нашей задачей было разработать как можно более простые, надежные, компактные и легкие приборы. Почему? Потому что это упрощает изготовление и существенно снижает стоимость запуска приборов. Как известно, стоимость выведения единицы массы в космос очень высока. Поэтому чем компактнее и легче приборы при обеспечении ими требуемых рабочих характеристик, тем больше шансов поставить их на борт космических аппаратов. Очевидно, что запустить маленькую и легкую коробочку в космос намного проще и дешевле, чем тяжелую и габаритную установку. Поэтому мы изначально нацеливались на создание компактных приборов и надеемся, что у них будут хорошие шансы слетать в космос на различных аппаратах (конечно, после необходимой доработки). А чем больше измерений мы имеем в различных точках космического пространства, тем точнее мы могли бы строить прогнозы космической погоды».

magnifier.png Новый прибор определяет энергетические спектры детектируемых частиц на основе анализа зависимостей потерь ими энергии при прохождении последовательно расположенных светоизолированных пластиковых сцинтилляционных детекторов

Из-за финансовых ограничений в рамках проекта РНФ, как изначально и планировалось, изготовлены и протестированы только лабораторные макеты приборов. Разработка и испытания летных образцов требуют значительно больших ресурсов.

«Прошедшим летом нам продлили грант на два года, — рассказывает ученый. — За это время мы должны изготовить и испытать летный образец одного прибора ПИКА. Мы также прорабатываем возможности его запуска в околоземное космическое пространство на наноспутнике формата CubeSat. Это позволило бы, во-первых, провести летные испытания прибора в условиях настоящего космоса, а во-вторых, получить бесценный опыт реализации практически полноценного космического эксперимента».

У ИКИ РАН большой опыт измерений и исследований СВ. Первые прямые измерения параметров СВ в космическом пространстве за пределами магнитосферы Земли были осуществлены в 1959 году с помощью советской автоматической межпланетной станции «Луна-2» группой ученых под руководством Константина Грингауза, ставших сотрудниками ИКИ АН СССР после его основания в 1965 году.


СЕЧЕНИЕ.jpg
Центральное сечение компьютерной модели блока электронной оптики прототипа Электронного компактного спектрометра ЭКОС . 1 – входное окно, 2 – электрод дефлектора, 3 – коллиматор, 4 – электрод энергоанализатора, 5 – детектор. Сплошными линиями обозначены траектории движения электронов с десятью различными энергиями. Векторы начальных скоростей частиц имеют азимут 0°; полярный угол распределен в диапазоне 36°−46°
ИКИ

 

Энергия Солнца

Солнечная атмосфера (фотосфера, хромосфера, переходный слой и корона) испускает два основных вида излучения — электромагнитное (фотоны, свет) и корпускулярное. Необходимо упомянуть и нейтрино, идущие из солнечного ядра, где происходят термоядерные реакции и вырабатывается энергия звезды.

«Корпускулярное излучение Солнца, которое измеряет наша аппаратура, состоит из элементарных заряженных и нейтральных частиц. Термин произошел от старинного слова “корпускула” — мельчайшая частица материи. Стоит отметить, что нейтральных частиц намного меньше, поскольку из-за высокой температуры в солнечной короне электроны отрываются от ядер и покидают атомы — происходит ионизация. В силу химического состава Солнца корпускулярное излучение — это преимущественно электроны и протоны, а также ионы химических элементов в значительно меньшем количестве, в частности гелия (альфа-частицы), кислорода, углерода, железа и других».

magnifier.png Быстрый солнечный ветер испускается со скоростями 700–800 км/с из областей Солнца с «открытой» геометрией магнитного поля — из полярных корональных дыр, а также корональных дыр на низких широтах

Корпускулярное излучение Солнца условно делится на две группы — солнечный ветер и солнечные энергичные частицы (или солнечные космические лучи, СКЛ).

«Солнечный ветер испускается непрерывно, почти как свет, со всего объема солнечной атмосферы, — поясняет Иван Зимовец. — Это, по сути, очень горячий (от десятков тысяч до миллиона градусов) ионизованный газ, ученые называют его плазмой. Скорость составляющих его частиц превышает вторую космическую скорость Солнца, и поэтому они способны преодолеть силу гравитации светила (а она примерно в 28 раз сильнее земной). По этой причине частицы солнечного ветра могут покидать Солнце и отправляться в длительное путешествие по гелиосфере — области космического пространства, заполненной солнечным ветром, и отделяющей Солнечную систему от межзвездной среды».

СВ разделяют на три основных типа — медленный и быстрый ветер, а также возмущенные потоки. Медленный СВ имеет характерные скорости 300–500 км/с (это примерно в 1000 раз больше скорости звука в воздухе и во столько же раз меньше скорости света в вакууме) и испускается в основном из экваториальных областей Солнца с замкнутой и полузамкнутой геометрией магнитного поля в виде корональных петель внизу и шлемовидных структур (стримеров) на больших высотах соответственно. Быстрый СВ испускается со скоростями 700–800 км/с из областей Солнца с «открытой» геометрией магнитного поля — из полярных корональных дыр, а также корональных дыр на низких широтах.

magnifier.png Характерные температуры солнечного ветра — сотни тысяч градусов, что значительно больше температуры поверхности Солнца — фотосферы (примерно 5800 градусов Кельвина). Это означает, что над поверхностью Солнца происходят процессы ускорения частиц и нагрева плазмы

«Как уже отмечалось, характерные температуры солнечного ветра — сотни тысяч градусов, это значительно больше температуры поверхности Солнца — фотосферы (примерно 5800 градусов Кельвина). Это означает, что над поверхностью Солнца происходят процессы ускорения частиц и нагрева плазмы. Проблема нагрева плазмы в солнечной атмосфере Солнца и ускорения солнечного ветра — одна из ключевых нерешенных проблем физики Солнца», — говорит Иван Зимовец.

Энергия, уносимая от Солнца посредством СВ, намного меньше энергии электромагнитного излучения (света), являющейся источником жизни на Земле. За один час Солнце теряет за счет СВ массу (около 4000 млн тонн), сопоставимую с массой нефти, потребляемой человечеством за один год. При таком темпе потерь СВ практически не влияет на изменение массы Солнца в течение его жизни (порядка 10 млрд лет).


ПРОТОТИП.jpg
Изготовленный прототип Электронного компактного спектрометра ЭКОС с габаритами 95х72х57 мм и массой 325 г
ИКИ

 

Миллиард ядерных бомб

Важность изучения СВ определяется его ключевой ролью в космической погоде. Здесь речь в основном идет о возмущенных потоках СВ. Они наблюдаются не постоянно, а спорадически — в общей сложности менее половины полного времени наблюдений. К ним относятся корональные выбросы массы (КВМ — крупномасштабные облака плазмы с магнитным полем), а также возмущения перед ними и перед быстрыми потоками СВ из корональных дыр. Такие возмущения и связанные с ними магнитные структуры, достигая Земли (а также других планет), могут приводить к глобальным возмущениям магнитного поля нашей планеты, вызывая магнитные бури и суббури.

С этими природными явлениями космической погоды связаны как завораживающие полярные сияния в земной атмосфере, так и неблагоприятные процессы — в частности, вариации магнитного поля на поверхности Земли, способные приводить к ухудшению самочувствия отдельных групп людей, к сильным наводкам в электросетях, сбоям в телекоммуникационных системах и многим другим проблемам.

magnifier.png Наиболее энергичные солнечные частицы могут проникнуть вглубь земной атмосферы, создавая повышенные дозы радиации на борту высотных авиалайнеров — в основном на высоких широтах (например, в скандинавских странах)

Другой компонент корпускулярного излучения Солнца — популяции солнечных энергичных (нетепловых) частиц, так же как и возмущенные потоки СВ, — образуется на Солнце эпизодически. Это происходит во время мощных и относительно кратковременных (часы) событий солнечной активности, таких как вспышки и КВМ. Во время этих взрывообразных событий в солнечной атмосфере выделяется огромная энергия, сопоставимая с энергией миллиардов ядерных бомб.

«Хорошо, что Солнце находится на значительном расстоянии от Земли, — говорит Иван Зимовец. — Несмотря на это, мы можем испытывать отголоски этих событий. Значительная доля выделяемой энергии передается заряженным элементарным частицам (опять же преимущественно электронам и протонам), которые разгоняются до огромных скоростей, близких к скорости света, и набирают очень большую кинетическую энергию».

Такие частицы могут долететь от Солнца до Земли почти за такое же время, как и свет (чуть более восьми минут). Из-за своей большой энергии они способны проникать через обшивку космических аппаратов, приводя к сбоям бортовых электронных систем, вплоть до выведения их из строя, а также нанося ущерб здоровью космонавтов на борту Международной космической станции, если они не успеют спрятаться в специальном защищенном отсеке. Наиболее энергичные солнечные частицы также могут проникнуть вглубь земной атмосферы, создавая повышенные дозы радиации на борту высотных авиалайнеров — в основном на высоких широтах (например, в скандинавских странах), поскольку туда частицам легче проникать сквозь магнитное поле Земли.

«По обозначенным выше причинам, — поясняет Иван Зимовец, — исследование и мониторинг корпускулярного излучения Солнца имеет большое значение. Прежде всего, у ученых имеется чисто научный интерес: мы до сих пор не имеем полного понимания физики процессов ускорения и распространения солнечного ветра и солнечных космических лучей. А раз мы до конца не понимаем физику, мы не можем строить надежные физически обоснованные прогнозы космической погоды. В частности, мы пока не в состоянии с необходимой точностью прогнозировать время появления и характеристики популяций солнечного ветра и солнечных космических лучей в различных областях гелиосферы, включая околоземное космическое пространство. Представьте себе ситуацию, когда на Солнце внезапно произошли очень мощная вспышка и корональные выбросы массы, а мы не смогли точно спрогнозировать время прилета и потоки энергичных частиц возле Земли. Эти частицы прилетели в большом количестве и вывели из строя несколько спутников, стоимость которых — миллиарды рублей. А если бы заблаговременно был сделан точный прогноз, мы бы могли, к примеру, на время развернуть аппараты “спиной” к потоку частиц и перевести питание в специальный режим, что продлило бы жизнь бортовой электроники».

Для решения этих задач требуется специальная аппаратура для детектирования и мониторинга солнечного корпускулярного излучения, включая различные компоненты СВ и СКЛ. Это аналогично тому, что для построения прогноза обычной погоды метеорологам требуются приборы для измерения различных физических характеристик атмосферы — температуры, давления и влажности воздуха, скорости ветра и так далее — в различных точках Земли и на различных высотах.

magnifier.png Частицам солнечного ветра требуется несколько десятков минут, чтобы добраться от точки L1 до Земли. Это значит, что у нас есть запас времени для подготовки к приходу возмущений

«Но в отличие от метеорологических измерений в земной атмосфере, — отмечает ученый, — корпускулярное излучение Солнца нужно измерять в космическом пространстве. Желательно это делать вне магнитосферы Земли. Например, отлично подходит точка Лагранжа L1, находящаяся на линии Земля—Солнце на расстоянии примерно один миллион километров от Земли в сторону Солнца. В этой точке силы притяжения Солнца и Земли сбалансированы и космический аппарат может условно бесконечно долго проводить непрерывные локальные измерения приходящих от Солнца ветра и космических лучей. Частицам солнечного ветра требуется несколько десятков минут, чтобы добраться от точки L1 до Земли. Это значит, что у нас есть запас времени для подготовки к приходу возмущений к Земле».

Как отмечает Иван Зимовец, для более детального изучения корпускулярного излучения Солнца и построения точного и надежного прогноза желательно проводить мониторинг сразу во многих точках околоземного космического пространства, то есть нужна раскинутая сеть космических кораблей-зондов. Это на данный момент практически неосуществимая мечта исследователей в силу дороговизны разработки приборов и выведения их в космос. Но в любом случае космические аппараты запускаются различными странами, включая Россию, на различные орбиты для различных нужд человечества. И можно было бы оснащать их попутно диагностической аппаратурой корпускулярного излучения Солнца, если бы она была легкой, компактной, надежной и недорогой.
Еще по теме:
30.11.2020
29 ноября на 75-м году жизни скончался выдающийся ученый, президент Академии наук с мая 2013-го по март 2017 года Владим...
24.11.2020
Двадцать четвертого ноября 1632 года в Амстердаме родился Барух (Бенедикт) Спиноза, который прославился не тольк...
23.11.2020
Однофотонный видеодетектор найдет применение в квантовых коммуникациях, космических исследованиях и медицине. Его разраб...
13.11.2020
Он открыл один из генетических законов, объездил полмира в поисках древних и современных растений, хотел накормить мир и...
Наверх