Буквально «внеземная» наука.
Ещё в начале 2022 года 38 совершенно новых спутников Starlink внезапно вышли из строя, чем сильно раздосадовали Илона Маска. Этот неожиданный коллапс стоил компании SpaceX миллионы долларов и затормозил её планы по расширению интернет-сети через спутники. Но почему это произошло? На самом деле, в этом не было вины SpaceX. Оказалось, что гигантская солнечная вспышка вызвала мощную геомагнитную бурю в верхних слоях атмосферы, которая буквально «поджарила» тонкую электронику на борту этих спутников.
Фактически, геомагнитные бури способны вывести из строя любой рукотворный спутник, нарушив работу таких важных систем, как GPS, климатическое наблюдение и даже разведывательные спутники, играющие ключевую роль в обеспечении национальной безопасности. Как вы можете догадаться, космическая отрасль всерьёз заинтересована в поиске способов защиты от этих невероятно дорогих катастроф. Именно поэтому учёные из Калифорнийского технологического института начали создавать солнечные вспышки в лаборатории, чтобы найти решение этой проблемы.
Начнём с основ. Что такое геомагнитная буря и как она выводит из строя спутники?
Всё начинается с Солнца. Солнце постоянно выбрасывает излучение и заряженные частицы, известные как солнечный ветер. Когда происходит крупная солнечная вспышка, Солнце выбрасывает гораздо больше солнечного ветра, чем обычно. Когда этот поток заряженных частиц сталкивается с магнитным полем Земли, оно начинает деформироваться и изгибаться, создавая огромные изменения магнитного потока (переменных магнитных полей) в космосе и на поверхности планеты. Это и называется геомагнитной бурей.
Если вы внимательно слушали на уроках физики, то знаете, что магнитный поток вызывает появление электрического тока. На поверхности Земли солнечная вспышка может вызвать сбои в электросетях и даже масштабные отключения электричества. А в космосе она индуцирует токи в сложной электронике спутников, что приводит к её выгоранию и полному выходу из строя аппаратов.
Учёные пытаются понять механику космической погоды — так также называют геомагнитные поля, — ведь это поможет создать систему раннего предупреждения. Такая система сможет заранее сообщать операторам спутников, когда и где произойдёт крупная геомагнитная буря, чтобы они могли перевести спутники в режим ожидания и тем самым защитить хрупкую электронику.
Это уже привело к ряду необычных экспериментов, например, к созданию искусственных северных сияний. Поскольку северные сияния — прямой результат взаимодействия солнечного ветра с атмосферой, они могут быть индикатором будущих геомагнитных бурь. Я уже писал об этом в одной из прошлых статей, которую вы можете найти здесь.
Другой путь — изучить механику самих солнечных вспышек. Это позволит предсказывать солнечную погоду, а значит, и космическую погоду. Именно этим и занимаются учёные из Калифорнийского технологического института.
Основной тип солнечных вспышек, вызывающих геомагнитные бури, называется корональными петлями. Они изображены на снимке NASA в начале статьи. Корональные петли — это гигантские дуги плазмы на поверхности Солнца, достигающие десятков тысяч миль в высоту. Мощные магнитные поля внутри этих петель направляют огромные потоки заряженных частиц вдоль дуги. Они могут длиться от нескольких минут до нескольких часов. Всё это время они хаотично выбрасывают заряженные частицы и рентгеновское излучение.
Существует два способа изучения корональных петель: можно использовать телескопы и наблюдать за их изменениями со временем, а можно попытаться воссоздать миниатюрную корональную петлю в лаборатории, чтобы изнутри изучить её структуру и механику. Именно второй подход выбрали в Калтехе.
Учёные создали корональные петли размером с банан между двумя электродами в вакуумной камере. Через электроды прокачивалось огромное количество энергии, и в результате разряда формировалась миниатюрная корональная петля, которая вела себя точно так же, как и гигантские солнечные. У неё было своё магнитное поле, она состояла из заряженных частиц и даже испускала рентгеновское излучение.
Несмотря на то что эти мини-петли существовали всего 10 микросекунд (0,00001 секунды), учёные смогли собрать огромное количество данных с помощью камеры, снимающей 10 миллионов кадров в секунду. Если воспроизвести запись с обычной скоростью 30 кадров в секунду, то эта вспышка длилась бы 33 секунды.
Эксперимент дал неожиданный результат: оказалось, что корональная петля — это не единое целое, а сплетение тонких нитей плазмы, как канат. Один из учёных, Ян Чжан, объяснил: «Если вы разрежете канат, то увидите, что он состоит из переплетённых нитей. Разберите одну из них, и окажется, что она тоже состоит из более тонких нитей, и так далее. С плазменными петлями всё то же самое».
Чжан затем сравнил полученные данные с наблюдениями настоящих корональных петель и нашёл доказательства того, что такие же переплетённые структуры есть и у гигантских солнечных петель. Главное подтверждение — нестабильность, сопровождающая рентгеновские всплески, которая наблюдается как у лабораторных, так и у настоящих солнечных вспышек. Теперь учёные смогут наблюдать, как мини-петли соединяются и перестраиваются, чтобы выяснить, вызывают ли эти взаимодействия энергетические всплески. Эти данные можно использовать совместно с солнечными наблюдениями для прогнозирования солнечного ветра и, соответственно, космической погоды — и тем самым уберечь многомиллионную космическую инфраструктуру от фатальных повреждений.
Так что, несмотря на кажущуюся фантастичность, лабораторная солнечная вспышка действительно помогает защитить космическую инфраструктуру будущего. И не стоит забывать, что в ближайшие годы она будет играть всё более важную роль в нашей повседневной жизни.
Возьмём Starlink: он станет не только основным интернет-каналом для миллионов людей, но и будет использоваться как важная часть 5G-сети через T-Mobile. Кроме того, национальная безопасность и климатический мониторинг напрямую зависят от спутников, а также в ближайшем будущем в космос будут выведены многомиллионные научные эксперименты и телескопы нового поколения. Так что помимо того, что это просто круто, Чжан и его коллеги закладывают фундамент для безопасного будущего космической индустрии — и, делая это, приближают нас к будущему.
Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь пожалуйста на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos