Нова космічна обсерваторія досліджує динаміку Сонця
Л.М. Свачій
кандидат фізико-математичних наук
Головна астрономічна обсерваторія НАН України
11 лютого 2010 р. на навколоземну орбіту запущено американський космічний апарат нового покоління, призначений для вивчення нашого денного світила. Цей супутник має назву «Обсерваторія для дослідження динаміки Сонця» (англійською: Solar Dynamics Observatory, SDO). Запуск був здійснений за допомогою ракети-носія «Атлас-5» з Космічного центру ім. Ґоддарда, що на мисі Канаверал (шт. Флорида, США). Ця космічна обсерваторія належить американському аерокосмічному агентству NASA. Велику роль у реалізації проекту «SDO» відіграє і Велика Британія — вона забезпечила обладнання для інструментів обсерваторії. Загальна вартість обсерваторії становить 850 млн доларів США. «SDO» — перший космічний апарат, запущений у рамках програми NASA «Життя із зорею» (англійською Living With a Star, LWS). Названа програма має за мету дослідити причини змін сонячної активності, а також вплив цих змін на Землю, на живі організми та суспільство. «SDO» — найбільша складова «Сукупності геліофізичних обсерваторій» (англійська назва: Heliophysics System Observatory), куди входитиме ціла низка супутників, що разом вивчатимуть Сонце, геліосферу й навколоземний простір.
На малюнку художника — Обсерваторія для дослідження динаміки Сонця на тлі сонячного диска. Фото з сайту http://missionscience.nasa.gov
У середині березня космічний апарат «SDO» вийшов на геостаціонарну (геосинхронну) нахилену орбіту, що на зовнішній межі земних радіаційних поясів. Така орбіта дає змогу майже безперервно й швидко передавати наукову інформацію на Землю. Для цього поблизу Лас-Крусеса (шт. Нью-Мексико, США) спорудили спеціальну станцію космічного зв’язку, яка і приймає дані з борту «SDO».
Обсерваторія «SDO» — найдосконаліший в історії космічний апарат для вивчення Сонця. Вона спостерігає процеси на Сонці швидше, глибше й детальніше, ніж попередні орбітальні телескопи. «SDO» призначена, щоб здобути детальні зображення Сонця, на основі яких можна буде ґрунтовно дослідити зміни сонячної активності й передбачувати їх. Прогнозування так званої космічної погоди допомагає забезпечити функціонування штучних супутників і систем комунікації, адже активне Сонце збурює рух космічних апаратів. Космічна погода впливає на всі типи зв’язку: на кабельний і супутниковий зв’язок, на радіозв’язок. До того ж, уміння передбачати сонячну активність важливе для правильної роботи енергетичних систем на Землі. Космічний апарат «SDO» дає змогу вченим досліджувати фізичні процеси всередині, на видимій поверхні та в атмосфері Сонця. Фахівці називають цю обсерваторію супутником для вивчення змінності Сонця. За допомогою «SDO» вони сподіваються здобути кардинально нову наукову інформацію про нашу денну зорю, про вплив сонячної активності на Землю та навколоземний простір. Нові відомості допоможуть виявити фактори, котрі керують циклами сонячної активності. Фахівці очікують, що «SDO» допоможе зрозуміти, як виникає сонячне магнітне поле, яка його структура, яким чином енергія магнітного поля поширюється в геліосферу й навколоземний простір.
Загальна маса «SDO» (літальний апарат, обладнання, пальне) під час старту дещо перевищувала 3 т. Обладнання важить 300 кг, космічний літальний апарат — 1300 кг. Обсерваторія живиться від сонячних батарей, площа яких 6,6 м2, а розмах трохи перевищує 6 м.
На борту космічного апарата розміщено три основних наукових інструменти:
1) «Агрегат для знімання атмосфери» (Atmospheric Imaging Assembly, AIA);
2) «Експеримент для вивчення змінності в екстремальному ультрафіолеті» (Extreme ultraviolet Variability Experiment, EVE);
3) Магнітометр «Геліосейсмічний і магнітний імейджер» (Helioseismic and Magnetic Imager, HMI).
«АІА» — це комплекс із чотирьох телескопів, які спостерігають корону й фотосферу одночасно в 10 колірних каналах для видимого й ультрафіолетового світла. Канал для видимого (білого) світла призначений, щоб отримати зображення фотосфери в усьому оптичному діапазоні. Дев’ять інших каналів працюють в ультрафіолетовому діапазоні (від 10 нм до приблизно 400 нм). Кожен з них чутливий до певної енергії, тобто до певної температури. Таким чином, кожен канал відповідає різним шарам сонячної атмосфери, бо температура атмосфери Сонця зростає з висотою. «АІА» розрізняє сонячні деталі від 725 км у поперечнику. Цей інструмент дістає зображення кожні 10 с.
На світлині — зображення Сонця, отримане телескопами «АІА» в різних довжинах хвиль. Фото з сайту https://svs.gsfc.nasa.gov.
Другий інструмент — «EVE» вимірює з безпрецедентною точністю повний потік ультрафіолетових і рентгенівських променів у діапазоні від 0,1 нм до 105 нм. Випромінювання в діапазоні 10—122 нм називається екстремальним ультрафіолетовим випромінюванням. Саме в екстремальному ультрафіолеті Сонце найбільш змінне — його яскравість може змінюватися в сотні й навіть у тисячі разів. Промені цього діапазону не досягають поверхні Землі, але саме вони визначають температуру зовнішніх шарів земної атмосфери. Екстремальний ультрафіолет впливає на рух низьких ШСЗ, а також на радіозв’язок. Величина потоку екстремального ультрафіолету залежить від потужності магнітного поля Сонця. Вимірювання, які цілодобово, кожні 10 с, проводить інструмент «EVE», допоможуть ученим дослідити цю залежність.
Магнітометр «НМІ» призначений, щоб вивчати рухи та магнітні поля на видимій сонячній поверхні — фотосфері, а також «заглядати» під непроникну поверхню Сонця, у його надра. Цей інструмент допомагає вченим дослідити основну причину сонячної активності — конфігурацію магнітних полів на Сонці, яка весь час змінюється. Послуговуючись «НМІ», учені сподіваються зрозуміти фізику так званого сонячного магнітного динамо — глобального механізму, котрий зумовлює сонячну активність. Механізм генерації магнітного поля в надрах Сонця є ключем до розуміння й прогнозу сонячної активності. Однак через труднощі дослідження сонячних надр цей механізм і досі цілком не вивчений. Інструмент «НМІ» веде спостереження тільки в одній спектральній лінії — лінії нейтрального нікелю (довжина хвилі 676,8 нм).
Загалом, «SDO» оснащена десятьма ПЗЗ-камерами, вісім з яких розміщено всередині наукових інструментів, а дві — у так званих зоряних відстежувачах. ПЗЗ-камери, що в наукових інструментах, функціонують за дуже низької температури: -100 °С для «ЕVЕ» і приблизно -70 °С для «АІА» та «НМІ».
Три основні інструменти «SDO», як уже відзначалося, спостерігають Сонце водночас у кількох спектральних діапазонах. Вони дістають величезний обсяг інформації, що швидко поновлюється. На «SDO» ці дані не обробляються, а передаються на Землю у швидкому темпі. Інструменти обсерваторії «SDO» дістають зображення із розділенням, що в 10 разів вище від нового стандарту телебачення ТВЧ (ТВЧ — телебачення високої чіткості, в англомовній літературі: High-DefinitionTelevision, HDTV). Така висока роздільна здатність інструментів «SDO» дає змогу фіксувати деталі — зміни в сонячній атмосфері та ін. — діаметром від 350 км.
Своє так зване перше світло космічна обсерваторія «SDO» дістала навесні 2010 р. Уже перші фотографії Сонця, здобуті за її допомогою, підтвердили сподівання вчених: з таким надвисоким розділенням зображення нашого денного світила отримано вперше. На знімках можна розрізнити невидимі раніше деталі потоків сонячної речовини, зафіксовано викидання розжареного сонячного газу. «SDO» провела вимірювання з високим розділенням сонячних спалахів у діапазоні екстремального ультрафіолету. У середині квітня 2010 р. інструменти на борту цієї космічної обсерваторії допомогли фахівцям у реальному часі проспостерігати рухи сонячної речовини, які тривали 4 год в області діаметром понад 100000 км. Уперше астрономи спостерігали виверження на Сонці настільки детально. Жоден телескоп, як відзначили фахівці, не мав такої високої часової, просторової і спектральної роздільної здатності, як інструменти «SDO». Серед спостережених рухів — корональний дощ. «Грудочки» плазми падали назад на сонячну поверхню, зумовлюючи яскраві сплески. Явище коронального дощу відоме давно, але до кінця не пояснене. Зокрема, залишається загадкою, чому речовина падає на Сонце не так швидко, як мала б падати під дією сонячної гравітації. Що ж сповільнює падіння плазмових «грудочок»? На це запитання допомогла відповісти «SDO», вимірявши температуру газу в сонячній атмосфері за допомогою комплексу телескопів «АІА». Часточки відносно холодного коронального дощу (Т = 60000 К) підтримуються «подушкою» з набагато гарячішого газу (Т = 1—2,2 млн К).
Наприкінці квітня 2010 р. космічна обсерваторія «SDO» проспостерігала потужний вибух сонячної речовини. Під час цього виверження мільярди тонн намагніченої плазми вилітало в простір, а деяка її частина падала назад на Сонце.
Усередині травня 2010 р. «SDO» перейшла основну віху свого функціонування. Було завершене післястартове тестування інструментів, і космічна обсерваторія офіційно приступила до кількарічних наукових досліджень Сонця. Усі основні інструменти на її борту успішно пройшли перевірку та калібрування і тепер здобувають наукову інформацію.
Фахівці сподіваються, що космічний апарат «SDO» функціонуватиме на орбіті впродовж щонайменше п’яти років, документуючи процеси, які відбуваються на Сонці. Інструменти «SDO» здатні фотографувати Сонце кожні 0,75 с. Щосекунди космічна обсерваторія передає на Землю 16 Мб наукової інформації. Щороку в обсерваторії буде два так званих сезони затемнення. Вони відбуватимуться тоді, коли її орбіта перетинатиме лінію Сонце—Земля. Загалом, за п’ятирічний термін обсерваторія відправить на Землю приблизно 2,5 петабайти інформації (1 петабайт = 250 байт). Передані з борту «SDO» наукові відомості (необроблені) доступні будь-якому фахівцеві з будь-якої країни. Основний центр даних космічної обсерваторії «SDO» розміщений в Кембриджі (США), ще один центр — у Брюсселі (Бельгія). За п’ять років роботи «SDO» вчені хочуть простежити активність Сонця від мінімуму, що затягнувся, до максимуму 24-го циклу. На думку експертів, результати спостережень «SDO» зумовлять революційні зміни в геліофізиці — розділі астрономії, котрий вивчає фізичні процеси і явища на Сонці, фізичні характеристики Сонця. Як сказав Річард Фішер, керівник відділу геліофізики у Вашингтонському, центрі NASA, спостереження «SDO» матимуть таке ж величезне значення для геліофізики, як і робота Космічного телескопа імені Габбла для астрофізики загалом.
На закінчення нагадаймо, що крім описаної тут обсерваторії, Сонце досліджують ще декілька космічних апаратів, зокрема європейський «SОНО» (з 1995 р.), два американські «STEREO» (з 2006 р.), японський «Hinode» (з 2006 р.). Російський КА «КОРОНАС-ФОТОН», запущений у січні 2009 р., профункціонував на орбіті до грудня 2009 р. і, на жаль, вийшов з ладу.
Джерело: Астрономічний календар 2011, с. 306—310
