Полярные области Солнца остаются одной из наименее изученных областей в солнечной физике. Космические обсерватории и наземные телескопы позволили получить потрясающие изображения поверхности, атмосферы и магнитных полей Солнца, но почти все эти наблюдения проводились в пределах плоскости эклиптики — узкой зоны, по которой вращаются Земля и большинство других планет. Такой угол обзора ограничивает возможности ученых по изучению высоких широт Солнца. Тем не менее эти области имеют решающее значение, поскольку их магнитные поля и динамическая активность помогают формировать солнечный магнитный цикл, а также обеспечивают массу и энергию, которые питают быстрый солнечный ветер, влияя на поведение Солнца и космическую погоду во всей Солнечной системе.
Почему Полюса Имеют Значение?
На первый взгляд, полярные области Солнца кажутся спокойными по сравнению с активными средними широтами в районе ±35°, где преобладают солнечные пятна, вспышки и корональные выбросы массы (КВМ). Но первое впечатление обманчиво. Магнитные поля на полюсах играют важнейшую роль в глобальном динамо-процессе Солнца и могут выступать в качестве «зародышевых полей», формирующих следующий солнечный цикл и определяющих общую магнитную структуру Солнца. Данные, полученные с космического аппарата «Улисс», показали, что быстрый солнечный ветер исходит в основном из обширных корональных дыр вблизи полюсов. Таким образом, изучение этих областей является ключом к ответу на три важнейших вопроса солнечной физики:
1. Как работает солнечное динамо и как оно влияет на магнитный цикл?
Магнитный цикл Солнца — это повторяющийся процесс, длящийся около 11 лет, который характеризуется колебаниями количества солнечных пятен и полной сменой магнитных полюсов Солнца. Этот процесс обусловлен сложным динамо-механизмом, работающим за счет внутреннего движения Солнца. Дифференциальное вращение порождает магнитную активность, а меридиональная циркуляция переносит магнитный поток к полюсам. Однако десятилетия гелиосейсмических исследований дали противоречивую информацию о том, как эти потоки ведут себя в глубинах конвекционной зоны. Некоторые данные указывают даже на то, что у основания зоны вращения потоки направлены к полюсам, что противоречит традиционным теориям о динамо-эффекте. Для уточнения этих особенностей внутреннего вращения и совершенствования существующих моделей необходимы наблюдения в высоких широтах.
2. Что является источником быстрого солнечного ветра?
Быстрый солнечный ветер — сверхзвуковой поток заряженных частиц — зарождается в основном в полярных корональных дырах Солнца и заполняет большую часть гелиосферы, формируя условия в межпланетном пространстве. Однако ученые до сих пор не до конца понимают, как он возникает. Откуда он исходит — из плотных спиральных структур внутри корональных дыр или из более разреженных областей между ними? Что ускоряет поток — магнитное пересоединение, волновые взаимодействия или и то и другое? Только непосредственная визуализация полюсов и измерения на месте могут дать ответы на эти давние вопросы.
3. Как события космической погоды распространяются по Солнечной системе?
Космическая погода — это изменения в солнечном ветре и вспышки на Солнце, которые влияют на космическую среду. Экстремальные явления, такие как мощные вспышки и корональные выбросы массы, могут вызывать геомагнитные и ионосферные бури на Земле, создавая ослепительные полярные сияния, а также представлять угрозу для спутников, систем связи и электросетей. Чтобы улучшить прогнозы, исследователи должны следить за тем, как солнечный материал и магнитные структуры перемещаются по Солнцу и в космическом пространстве, а не только с ограниченной точки зрения плоскости земной орбиты. Наблюдения за пределами эклиптики позволили бы получить критически важную информацию о том, как корональные выбросы массы и другие возмущения распространяются по Солнечной системе.
Прошлые Усилия
Ученые давно осознали важность наблюдений за полярными областями Солнца. Космический аппарат «Улисс», запущенный в 1990 году, стал первым космическим аппаратом, покинувшим плоскость эклиптики и взявшим пробы солнечного ветра над полюсами. Его бортовые приборы подтвердили ключевые свойства быстрого солнечного ветра, но не позволяли получать изображения. Недавно запущенный Европейским космическим агентством аппарат Solar Orbiter постепенно выходит из плоскости эклиптики и, как ожидается, через несколько лет достигнет широт около 34°. Несмотря на значительный прогресс, этого все еще недостаточно для получения полного обзора.
За последние десятилетия было предложено несколько амбициозных концепций миссий, в том числе «Солнечный полярный визуализатор» (Solar Polar Imager, SPI), «Исследование Солнца с помощью полярных зондов» (POLAR Investigation of the Sun, POLARIS), «Солнечный полярный орбитальный телескоп» (Solar Polar ORbit Telescope, SPORT), миссия «Солярис» и «Солнечная миссия с высоким наклонением орбиты» (High Inclination Solar Mission, HISM). В некоторых из них предполагалось использовать передовые двигательные установки, например солнечные паруса, для достижения высоких значений наклонения орбиты. В других миссиях для постепенного изменения наклона орбиты использовались гравитационные манёвры. Каждая из этих миссий будет оснащена как приборами для дистанционного зондирования, так и приборами для непосредственного наблюдения, которые позволят получать изображения полюсов Солнца и измерять ключевые физические параметры над ними.
Миссия SPO
Солнечная полярная орбитальная обсерватория (Solar Polar-orbit Observatory, SPO) разработана специально для того, чтобы преодолеть ограничения, с которыми сталкивались предыдущие и текущие миссии. Запуск SPO запланирован на январь 2029 года. Для выхода за пределы плоскости эклиптики аппарат воспользуется гравитационным маневром на орбите Юпитера (Jupiter gravity assist, JGA). После нескольких пролетов мимо Земли и тщательно спланированной встречи с Юпитером космический аппарат выйдет на 1,5-летнюю орбиту с перигелием около 1 астрономической единицы и наклонением до 75°. В ходе своей расширенной миссии аппарат SPO смог подняться на высоту 80°, обеспечив самый прямой обзор полюсов из всех, что когда-либо были.
15-летний срок службы аппарата (включая 7-летний продленный период миссии) позволит ему наблюдать как за солнечным минимумом, так и за максимумом солнечной активности, в том числе в критический период примерно в 2035 году, когда ожидается следующий максимум солнечной активности и полярная инверсия магнитного поля. За все время работы SPO неоднократно будет пролетать над обоими полюсами, а продолжительность высокоширотных наблюдений составит более 1000 дней.
Цель миссии SPO — прорыв в изучении трех научных вопросов, упомянутых выше. Для достижения этих амбициозных целей на борту SPO будет установлен комплекс из нескольких приборов для дистанционного зондирования и исследований на месте. Вместе они позволят получить полное представление о полюсах Солнца. К приборам дистанционного зондирования относятся магнитогелиосейсмический телескоп (Magnetic and Helioseismic Imager, MHI) для измерения магнитных полей и потоков плазмы на поверхности, телескоп экстремального ультрафиолетового излучения (Extreme Ultraviolet Telescope, EUT) и рентгеновский телескоп-обсерватория (X-ray Imaging Telescope, XIT) для регистрации динамических процессов в верхних слоях атмосферы Солнца, коронограф видимого света (Visible-light CORonagraph, VISCOR) и широкоугольный коронограф (Very Large Angle CORonagraph, VLACOR) для отслеживания солнечной короны и потоков солнечного ветра на расстоянии до 45 солнечных радиусов (на расстоянии 1 астрономической единицы). В состав аппарата входят магнитометр и детекторы частиц для непосредственного изучения солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Благодаря этим наблюдениям аппарат SPO не только впервые получит изображения полюсов, но и установит связь между ними и потоками плазмы и магнитной энергии, формирующими гелиосферу.
SPO не будет работать изолированно. Ожидается, что он будет взаимодействовать с растущим числом солнечных миссий. К ним относятся миссия STEREO, спутник Hinode, Обсерватория солнечной динамики (SDO), спектрограф для визуализации пограничной области (IRIS), усовершенствованная космическая солнечная обсерватория (ASO-S), Solar Orbiter, миссия Aditya-L1, миссия PUNCH, а также готовящиеся миссии на орбите L5 (например, миссия Vigil Европейского космического агентства и миссия LAVSO Китайской национальной космической администрации). Вместе эти аппараты образуют беспрецедентную сеть наблюдений. Полярная обсерватория SPO восполнит этот пробел, впервые в истории человечества обеспечив почти глобальное 4π-наблюдение за Солнцем.
Заглядывая В Будущее
Солнце — ближайшая к нам звезда, но многое о ней до сих пор остается неизвестным. Ожидается, что предстоящая миссия «Солнечная полярная орбитальная обсерватория» (Solar Polar-orbit Observatory, SPO) изменит ситуацию, предоставив ученым беспрецедентные возможности для изучения полярных областей Солнца. Эти области, которые долгое время были скрыты от прямого наблюдения, вскоре станут доступны для детального изучения, что позволит по-новому взглянуть на силы, формирующие нашу звезду и поддерживающие жизнь на Земле.
Значение проекта SPO выходит далеко за рамки простого научного любопытства. Расширяя наши знания о солнечном динамо, эта миссия может привести к более точным прогнозам солнечного цикла и, как следствие, к более надежным прогнозам космической погоды. Понимание того, как формируется и ведет себя быстрый солнечный ветер, также позволит усовершенствовать модели гелиосферы, что крайне важно для разработки космических аппаратов и обеспечения безопасности астронавтов. Самое главное, что прогресс в отслеживании солнечной активности может повысить нашу способность защищать критически важные технологии, в том числе навигационные и коммуникационные спутники, авиационные системы и электросети на Земле.