Разработанные в ФИАН методы космических исследований позволяют приблизиться к решению многих проблем современной астрофизики

Физика Солнца - одно из важнейших направлений современной астрофизики, в котором, несмотря на многолетние (и даже многовековые) исследования, до сих пор остается много тайн и загадок. Наиболее важные из них связаны с происхождением 11-летнего солнечного цикла, нагревом короны, вспышками. Решить их, используя только наземные средства наблюдения, невозможно, так как наша атмосфера пропускает электромагнитное излучение лишь в ограниченных спектральных диапазонах, так называемых окнах прозрачности. Огромная информация о наиболее важных высокотемпературных процессах, содержащаяся в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах, до земной поверхности не доходит. Поэтому на околоземных орбитах постоянно находится несколько спутников, изучающих наше светило в рамках международного сотрудничества. В области построения рентгеновских изображений Солнца ученые ФИАН по праву занимают одно из ведущих мест в мире. Об истории и перспективах солнечных исследований в космосе рассказывает ведущий научный сотрудник института доктор физико-математических наук Сергей Богачев.

- ФИАН уже более 60 лет исследует Солнце с борта космических аппаратов, - говорит Сергей Александрович. - Первые запуски научной аппаратуры за пределы земной атмосферы состоялись в конце 1947 года на полигоне “Капустин Яр”. Для этого использовались трофейные немецкие ракеты Фау-2, модернизированные под отечественные материалы. Такие ракеты хотя и обладали сравнительно малым радиусом действия - около 200 километров, могли подняться на высоту до 80 километров. Поэтому возникла идея использовать их для доставки научных приборов в космос. Приборы при этом размещались в головной части, которая отделялась от ракеты после ее выхода за пределы атмосферы. Всего, по предложению ФИАН, для этих экспериментов было выделено 10 ракет, которые и положили начало отечественной научной космонавтике.

Спустя всего месяц после наступления космической эры на борту второго искусственного спутника Земли ФИАН разместил аппаратуру для измерения потоков рентгеновского излучения Солнца. А в 1963 году удалось получить первое рентгеновское изображение светила практически одновременно с американскими исследователями. Но качество наших фотографий было заметно выше.

Современная история ФИАН - это история технологических прорывов, многие из которых определили лицо современной физики Солнца. Так, уже 20 лет назад на межпланетной станции “Фобос”, запущенной к одноименному спутнику Марса, работали телескопы ФИАН с детекторами изображений на основе ПЗС-матриц. Хотя сейчас эти матрицы широко используются даже в обычных цифровых фотоаппаратах, именно наша страна стала пионером их применения в космосе. А с 1994 года, начиная со спутника “КОРОНАС-И”, научная аппаратура ФИАН управлялась только бортовыми компьютерами. Эта хорошая традиция космических инноваций продолжена на новой станции “КОРОНАС-ФОТОН”, где мы намерены применить системы параллельной обработки данных (до четырех потоков одновременно), а также первый раз испытаем в космосе отечественные детекторы рентгеновского излучения Солнца нового типа, основанные на ПЗС-матрицах с обратной освещенностью.

Создание космических телескопов - очень интересная, однако и весьма непростая задача. Можно напомнить, что обычные линзы и зеркала, хорошо фокусирующие видимый свет, совершенно непригодны для работы с рентгеновскими лучами. Поэтому ученым и инженерам, работающим в этом диапазоне, приходится строить очень сложные оптические системы. Например, на знаменитой космической обсерватории “Чандра” используются зеркала косого падения. Дело в том, что рентгеновские лучи отражаются от металлической поверхности только в том случае, если падают на нее под малым углом. Соорудив телескоп из большого множества зеркал, повернутых друг относительно друга на малый угол, можно заставить рентгеновский луч сфокусироваться в нужной точке.

Но создание сверхгладких зеркал для телескопов косого падения - слишком дорогое удовольствие. Есть и другие способы заставить непокорные лучи двигаться в нужном направлении. Можно, например, покрыть обычное металлическое зеркало несколькими слоями специальных тонких пленок. Рентгеновские лучи обладают волновыми свойствами, и, проходя через каждый слой, они частично проникают сквозь нее, а частично - отражаются. Используя пленки различной толщины, можно добиться, чтобы отраженные лучи определенных длин волн оказались в фазе и усилили друг друга. Как результат, такое слоистое зеркало способно отразить в нужном направлении значительную часть падающего на него рентгеновского излучения.

- Сергей Александрович, а зачем тратить столько сил и средств для получения рентгеновского изображения? Чем оно лучше обычного?

- Чем выше температура космической плазмы, тем более жесткий свет она излучает. Фотографируя Солнце в видимом свете, мы получаем информацию о его фотосфере и хромосфере, температура которых составляет несколько тысяч градусов. Но ничего не узнаем о короне. А ведь там происходят самые интересные процессы. Как известно, солнечная поверхность нагрета до шести тысяч градусов. А корона - до одного-двух миллионов. Почему? Долгое время большинство астрономов придерживалось, на первый взгляд, правдоподобного мнения, что энергия для нагрева короны приходит снизу, со стороны поверхности Солнца. Источником этой энергии могли быть гидродинамические колебания плазмы, а также прямой нагрев плотных нижних слоев Солнца вспышками. Однако первые же фотографии Солнца, полученные нами на спутнике “КОРОНАС-Ф”, показали, что именно корона является областью чрезвычайно эффективного энерговыделения. Находящиеся здесь колоссальные объемы плазмы способны “самостоятельно” разогреваться до температур в миллионы градусов в отсутствие каких-либо видимых процессов на солнечной поверхности. Нагрев этот тем более удивителен, что происходит в чрезвычайно разреженной плазме, плотность которой на 10 порядков ниже плотности земной атмосферы. Не исключено, что именно здесь лежит ключ к решению одной из самых таинственных проблем современной астрофизики - происхождению горячей короны Солнца и горячих звездных атмосфер. Мы разработали новые теоретические модели, позволяющие объяснить это явление, и надеемся, что эксперименты на спутнике “КОРОНАС-ФОТОН” подтвердят их правильность.

Современные исследования Солнца не только сложны, но и многоплановы. Вести наблюдения светила приходится сообща, объединяя усилия как наземных, так и космических обсерваторий. Одни телескопы фотографируют поверхность, другие фиксируют то, что происходит в переходном слое, третьи “снимают” корону, четвертые - нагретую во время вспышки плазму, пятые следят за выбросами солнечного вещества и т.д. Одновременно с ними работают спектрографы - приборы, измеряющие излучение в отдельных линиях спектра и определяющие температуру и плотность вещества. Стоит сказать и про коронографы - своеобразные телескопы, снабженные “искусственной луной”. Диск Солнца в этих инструментах для наблюдателя закрыт, но прекрасно видна окружающая его разреженная корона.

Наибольший эффект приносят исследования, когда инструменты разного назначения объединены в одном модуле и находятся под единым управлением. Например, новый прибор ФИАН “ТЕСИС”, созданный для космического аппарата “КОРОНАС-ФОТОН”, - настоящая космическая обсерватория, включающая в себя сразу несколько оптических систем. Это, во-первых, два рентгеновских телескопа с параболическими зеркалами на основе многослойной оптики для изучения переходного слоя, короны и вспышек. Их угловое разрешение составляет 1,5 секунды, что в три раза лучше, чем у инструментов станции “КОРОНАС-Ф”. Одновременно с телескопами будет работать спектрометр, способный измерять температуру исследуемых объектов в диапазоне от 10 тысяч до 20 миллионов градусов, а также плотность плазмы и даже ее распределение по объему. Наконец, в состав ­“ТЕСИС” входит коронограф с полем зрения два с половиной градуса, что в 10 раз превышает видимый размер Солнца. Это позволяет в течение нескольких часов наблюдать интереснейшее явление - выбросы солнечного вещества, движущиеся по направлению к Земле. Мы надеемся, что новый прибор позволит предсказывать время прихода выбросов к Земле и прогнозировать вероятность и силу связанных с ними магнитных бурь.

Для эксперимента “ТЕСИС” в институте разработали оригинальную технологию получения высокотемпературных изображений Солнца, использующую “отсечение” низкотемпературного излучения. В результате видно, как на совершенно пустом фоне возникают сверхгорячие области и как они затем, остывая, перемещаются и расплываются, нагревая окружающую корону. Все процессы мощного энерговыделения хорошо видны, и их не спутаешь ни с чем другим. Эта методика наблюдений, проводимая нашим институтом, пока единственная в мире. Для ее осуществления созданы уникальные зеркала, позволяющие отражать под большим углом жесткие рентгеновские лучи, что еще недавно казалось невозможным. Из специально выращенного кварцевого кристалла вытачивается тонкий слой толщиной 0,4 миллиметра. Затем изготавливается сферическая подложка, на которую крепится изогнутый кристаллический лист. Вся эта процедура осуществляется в высоком вакууме, а соединение с подложкой происходит только за счет молекулярных сил. Технологию разработал первый руководитель нашей лаборатории доктор физико-математических наук Игорь Житник.

- А как фотография, сделанная в космосе, потом передается на Землю?

- Одно высококачественное цифровое изображение Солнца имеет объем около семи мегабайт. Количество информации, которое можно передать за одни сутки, пока составляет всего половину гигабайта. То есть можно передать примерно 70 фотографий, что, конечно, очень мало. Чтобы решить эту проблему, мы используем стандартный алгоритм сжатия информации в два-три раза. Кроме того, в институте был разработан специальный алгоритм сжатия в 30-50 раз, правда, с незначительной потерей качества. В целом, мы планируем ежедневно получать и передавать на Землю не менее тысячи изображений.

Другая проблема космической фотографии - это ограничение скорости, с которой вы можете делать снимки. На станции “КОРОНАС-Ф” интервал между двумя снимками можно было сократить до девяти секунд. По тем временам это было выдающимся достижением. Тем не менее некоторые процессы на Солнце происходят так быстро, что возникла потребность этот интервал сократить. На станции “КОРОНАС-Фотон” мы рассчитываем довести его до одной секунды, что также является абсолютным мировым рекордом. В целом, новая космическая обсерватория обладает достаточно высоким техническим оснащением, чтобы внести ясность в некоторые из наиболее фундаментальных проблем физики Солнца.