Дожди на Солнце

Мы выяснили, что Солнце сильно влияет на земную и космическую погоду. Но и на самом Солнце погода впечатляет. Вокруг Солнца скапливается сверхгорячая плазма, формируя солнечную корону. Часть этой плазмы покидает корону в виде солнечного ветра, другая выпадает обратно на Солнце в виде осадков.

Хотя существование таких «корональных дождей» предсказывали еще 40 лет назад, только недавно благодаря возросшей мощности наших телескопов мы смогли их увидеть и начали изучать. Их цикл похож на круговорот воды на Земле: влага на поверхности нагревается, испаряется, поднимается ввысь и формирует облака. Охлаждение приводит к конденсации влаги, которая вновь выпадает на поверхность Земли в качестве осадков. Только на Солнце плазма не переходит из жидкого состояния в газообразное, а просто в результате охлаждения падает из короны обратно на поверхность.

Масштабы происходящего поистине грандиозны, а сами эти явления очень быстротечны. «Капли» плазменных дождей размером с целые страны падают с высоты 63 000 км – а это всего лишь в шесть раз меньше расстояния от Земли до Луны.

Иногда в солнечной плазме появляются вихри, в которых магнитные поля скручиваются по спирали и образуют суперторнадо, простирающиеся от поверхности Солнца до верхних слоев атмосферы.

Нарушение принципов термодинамики

Солнечные торнадо – явление само по себе достаточно удивительное. Возможно, они также помогут объяснить одну из самых странных солнечных особенностей: атмосфера Солнца горячее его поверхности. Температура в 5700 К на поверхности выглядит холодной по сравнению с несколькими миллионами градусов, типичными для солнечной короны.

Обычно по мере того, как объект удаляется от источника тепла, он остывает. Чем ближе маршмеллоу к огню, тем оно быстрее поджаривается. Но солнечная атмосфера играет не по правилам. Энергия огибает видимую поверхность Солнца и вливается в его корону.

Значительная ее часть, похоже, поступает из переходной области, отделяющей корону Солнца от хромосферы – следующего атмосферного слоя. Торнадо, дожди, магнитные косы, плазменные струи и странные явления под названием «спикулы» – как полагают, все это играет большую роль в процессе нагревания короны, перенося энергию из нижележащих областей Солнца вверх. Детали происходящего, однако, пока не ясны и ждут своих исследователей.

Полеты к Солнцу

Чтобы решить все эти головоломки, нужно подобраться к Солнцу как можно ближе.

В октябре 2018 года планировали запустить Solar Orbiter (Солнечный орбитальный аппарат) – спутник для исследования Солнца, который разрабатывает Европейское космическое агентство^[1]. Он должен подлететь к Солнцу на расстояние 45 млн км и сфотографировать его полюса. Такие снимки, первые в своем роде, помогут ученым выяснить причину возникновения магнитного поля Солнца и, возможно, прольют свет на то, почему северный и южный полюсы так часто меняются друг с другом. Зонд также сможет выявлять начинающийся солнечный ветер, еще не достигший Земли.

Солнечный зонд Parker Solar Probe («Паркер») – автоматический космический аппарат НАСА для изучения внешней короны Солнца – запустили 12 августа 2018 года. Предполагается, что он подлетит к Солнцу на расстояние 6 млн км. Зонд будет приближаться кружным путем, осторожно, подобно тому, как матадор подкрадывается к разъяренному быку. Отчасти это нужно в целях безопасности: по мере приближения аппарата к Солнцу ученые смогут отслеживать возникающие под действием радиации или излишнего нагревания угрозы, которые могут повредить аппарат, и вовремя принимать надлежащие меры. Аппарат семь раз обогнет Венеру, прежде чем выйдет на конечную траекторию. При максимальном сближении зонд промчится мимо Солнца со скоростью 200 км/с. Ученые надеются с его помощью выяснить механизмы нагревания короны и образования солнечного ветра.

Металлы, которых не хватает

Мы не можем подкрасться к Солнцу и оторвать от него кусочек для исследований. Но, тем не менее, у нас есть два способа узнать, из чего оно состоит. Гелиосейсмологи изучают колебания поверхности Солнца и по их виду могут сделать вывод о химическом составе светила. Спектроскописты изучают солнечный свет, пропуская его через высокотехнологичные призмы, и препарируют его на части, выделяя характерные полосы и линии – уникальный штрих-код для идентификации составляющих элементов.

В течение долгого времени эти два метода рисовали одну и ту же картину: Солнце состоит в основном из водорода и гелия, с небольшими вкраплениями других элементов, оставшихся от взрывов более ранних звезд во Вселенной. Астрономы (в отличие от химиков) называют все элементы тяжелее гелия «металлами». Эти элементы содержатся во внутренних областях Солнца и составляют немногим меньше 2 % от его полной массы. Несмотря на то, что металлы находятся в явном меньшинстве, они играют ключевую роль в переброске энергии от ядра в клокочущие слои на поверхности.

Но в начале 2000-х годов случился конфуз. Мартин Асплунд, молодой ученый из Копенгагена, занялся исследованиями движений внешних слоев звезд, чтобы внести необходимые коррективы в расчеты спектров. У него в распоряжении оказался факультетский суперкомпьютер, на котором он построил трехмерную численную модель внешнего солнечного слоя. В 2009 году с помощью этой модели получили неожиданный результат: не хватало четвертой части металлов, на присутствие которых неизменно указывали гелиосейсмические данные.

До сих пор никто не смог опровергнуть результаты Асплунда. В свете полученных им данных приходится пересматривать выводы, касающиеся не только Солнца, но и других звезд, ведь от Солнца, ближайшей к нам и самой досягаемой из звезд, зависит наше понимание и его космических родственников.

Не обошлось и без экзотических решений, предполагающих, что темная материя внутри Солнца поможет согласовать прежние данные с новыми. Но гораздо более правдоподобно следующее предположение. При тех экстремальных температурах и давлениях, которые существуют на Солнце, тяжелые элементы ведут себя иначе, чем мы ожидали, и законы поглощения и излучения для них описываются другими формулами.

Большие надежды на разрешение этой загадки связаны с нейтринным детектором SNO+ (расширенная версия эксперимента в Sudbury Neutrino Observatory – нейтринной обсерватории в Садбери), установленным в Канаде. Обнаружение солнечных нейтрино в настоящее время не является чем-то необычным, но с помощью детектора SNO+ есть надежда поймать слабый сигнал от редких CNO-нейтрино, образующихся в CNO-цикле – термоядерной реакции превращения водорода в гелий, в которой углерод, кислород и азот выступают как катализаторы. И таким образом можно будет заглянуть в ядро Солнца и оценить содержащееся там количество этих тяжелых элементов.

Давно потерянные солнечные братья и сестры

Сегодня Солнце гуляет в космосе само по себе – его ближайший сосед удален на 4,2 световых года. Но так было не всегда. Когда-то и Солнце находилось в дружной семье, среди родни и друзей. Родившись вместе из одного облака пыли и газа, родичи Солнца рассеялись в пространстве и разбежались на сотни световых лет друг от друга. В мае 2014 года астрономы объявили, что удалось «поймать» одну такую беглянку: звезду по имени HD 162826 (см. рис. 1.1).

Эта звезда удалена от нас на 110 световых лет. С помощью бинокля ее можно увидеть в левой руке Геркулеса^[2]. Она немного теплее и голубее нашего Солнца, а ее масса превышает массу Солнца на 15 %.

Чтобы найти ее родственников, группа ученых под руководством Ивана Рамиреза из Техасского университета в Остине провела своеобразные «археологические раскопки» в космосе, смоделировав движения звезд Млечного Пути в прошлом. Целью были поиски таких звездных «отпрысков», которые родились в одной звездной колыбели с Солнцем. Хотя все они разбежались в разные стороны, их теперешние положения могли выдать место их появления на свет.

Сузив группу поиска до 30 звезд-претендентов, команда внимательно изучила их, чтобы найти «фамильное сходство». Из всех оставшихся звезд только у HD 162826 был химический состав, похожий на солнечный. Их возраст тоже оказался одинаковым. Отметим также следующее заманчивое обстоятельство: HD 162826 включена в каталог звезд, которые могут иметь планетные системы.

Рис. 1.1. Моделирование движения звезд Млечного Пути указывает на то, что звезда HD 162826 может являться сестрой нашего Солнца.

Если удастся обнаружить больше подобных звезд, в картине первых моментов творения нашей Солнечной системы может многое проясниться. Возможно, станет понятно, в каких условиях Солнце и планеты формировались.

Когда начнется следующий космический шторм

2 сентября 1859 года Земли достиг гигантский выброс вещества из Солнца. Магнитные поля разбушевались. Полярные сияния заискрились там, где их раньше не видели, и небо над нашей планетой на две трети было покрыто уникальными световыми картинами. Стрелки компасов сошли с ума, телеграфные системы по всему миру отказали – слишком большие токи текли по проводам.

Явление назвали в честь Ричарда Кэррингтона, британского астронома-любителя, который первым провел его наблюдения. На большей части планеты это событие никак не отразилось на повседневной жизни людей – они полюбовались грандиозным световым шоу, и только. Сегодня происшествие подобного рода привело бы к катастрофическим последствиям, потому что мы слишком сильно зависим от приборов, в основе которых лежат принципы электромагнетизма. На спутниках, скорее всего, сгорели бы все электрические реле, а вместе с ними отказали бы все системы коммуникации и ориентации в пространстве. Все трансформаторы перегорели бы, подача электроэнергии через магистральные сети – прекратилась. Общественный транспорт остановился бы. По оценкам Национальной академии наук США, проведенным в 2008 году, на ликвидацию последствий, связанных с событием Кэррингтона, произойди оно в настоящее время, потребовалось бы 2 триллиона долларов только в США.

Понятно, что предсказания космической погоды должны иметь высший приоритет в астрономических наблюдениях. Чтобы найти средство защиты, мы должны отчетливо понимать механизм солнечного магнетизма, лежащий в основе корональных выбросов массы – ведь к эффекту Кэррингтона привели именно капризы солнечной активности. Для нас по-прежнему остается тайной, как Солнце генерирует свои магнитные поля, поэтому мы не можем предсказать, где и когда в следующий раз произойдут солнечные извержения. Как уже упоминалось, большие надежды возлагаются на спутник Европейского космического агентства (ЕКА) Solar Orbiter, который запустят, чтобы исследовать Солнце, – этот спутник будет заниматься измерениями магнитных полей Солнца. Если мы сможем понять загадку солнечного динамо-эффекта (самогенерации магнитных полей), возможно, нашей цивилизации удастся избежать повторения сценария 1859 года.

Что произойдет, если гигантская комета столкнется с Солнцем?

Как правило, кометы спокойно облетают Солнце, чтобы затеряться в глубинах космоса. Но если случится так, что большая комета вонзится прямо в Солнце, порядочной шумихи не избежать.

Космический аппарат SOHO (Solar and Heliospheric Observatory – Обсерватория Солнца и гелиосферы) под эгидой НАСА в неделю фиксирует не менее трех небольших комет, проходящих очень близко от Солнца. Совсем маленьким околосолнечным кометам обычно не удается уйти далеко. И дело даже не в солнечной короне, чья температура достигает миллионов градусов Кельвина; она слишком разрежена и не может расплавить комету своим теплом (вернее сказать – жарой). Здесь работает процесс сублимации: ледышки-кометы непосредственно переходят в газ, который рассеивается в космическом пространстве. Кометы могут расколоться на части. Но некоторым из них удается уцелеть. Комета Лавджоя в 2011 году, хоть и пообтрепалась, продираясь сквозь солнечную корону, но все-таки выстояла в борьбе за космическое выживание. А вот комете ISON, встретившейся с Солнцем в 2014 году, выжить не удалось – она распалась на части.