В марте грузовой корабль «Прогресс МС-33» доставил на МКС уникальный радиотелескоп. Российские учёные впервые в мире будут изучать Солнце в терагерцевом диапазоне. Они надеются, что это поможет заранее прогнозировать солнечные вспышки.
Радиотелескоп для космического эксперимента «Солнце-Терагерц» разработан Физическим институтом им. П.Н. Лебедева РАН. Во время ближайшего выхода за борт станции космонавты установят аппаратуру на поверхности МКС.
Чем опасны солнечные вспышки?
Активность Солнца часто сопровождается вспышками и выбросами в космос заряженной плазмы. До орбиты Земли плазменное облако «идёт» от нескольких десятков часов до нескольких суток, а потоки релятивистских (мчащих со скоростью, близкой к световой) заряженных частиц могут появиться у Земли в течение 15-30 минут после вспышки. Магнитное поле планеты спасает жизнь на её поверхности, но возмущения в нём не проходят бесследно для техники. Даже телеграф, очень грубое по современным меркам средство связи, перестал работать в середине XIX века из-за крайне мощной солнечной активности. Повторения так называемого события Каррингтона учёные боятся до сих пор. Ведь даже более слабые вспышки и вызванные ими геомагнитные колебания способны выводить из строя спутники, трансформаторы, линии электропередачи и системы связи.
Сегодня в периоды мощной солнечной активности у компаний, владеющих спутниковыми коммуникациями, есть буквально несколько дней, чтобы принять оперативные защитные меры — условно перевести спутники в «безопасный режим».
На всякий случай подчеркнём, что исследований, выявивших прямую связь между магнитными бурями и самочувствием людей на Земле, у медиков до сих пор нет. А вот в космосе, вне защиты магнитного поля планеты и, например, на поверхности Луны, облако плазмы представляет закономерную опасность для всего живого.
Новый взгляд на Солнце: неизученный диапазон
Частота электромагнитных волн измеряется в герцах. «1 Герц» буквально означает, что процесс совершает одно повторение (или одно колебание) в секунду. Для сравнения: радиоволны могут колебаться от тысяч до миллиардов раз в секунду и часто измеряются в килогерцах, мегагерцах или гигагерцах. Ну а приставка «тера» обозначает 10 в 12-й степени.
Терагерцевое излучение — это электромагнитные волны с частотами примерно от 0,1 до 10 терагерц. Они находятся между инфракрасным и микроволновым диапазонами. Долгое время эта область спектра оставалась «белым пятном» в науке по двум причинам:
- не существовало достаточно чувствительных детекторов для регистрации столь слабых сигналов;
- атмосфера Земли практически полностью поглощает терагерцевое излучение, делая наземные наблюдения невозможными.
Именно поэтому эксперимент проводится на орбите — там, где атмосфера не создаёт помех. Во время ближайшего выхода в открытый космос экипажу предстоит установить радиотелескоп на поверхности модуля «Звезда». Там прибор приступит к работе, которая может изменить наше представление о природе Солнца.
«Ловим» быстрые электроны
Цель эксперимента — разглядеть конкретные процессы в атмосфере звезды. Терагерцевое излучение рождается при движении так называемых быстрых (релятивистских) электронов в магнитном поле Солнца. С точки зрения человека все электроны достаточно быстрые, но здесь мы имеем в виду частицы, движущиеся со скоростями, сравнимыми со скоростью света.
Важный момент: терагерцевое излучение можно наблюдать на самых ранних стадиях вспышки, наряду с высокоэнергетическим излучением. Это не значит буквально, что, опираясь только на этот факт, мы сможем видеть вспышки чуть раньше. Скорее, появится шанс лучше понять, как они происходят и, следовательно, — прогнозировать.
Регистрируя эти ранние сигналы, учёные надеются:
- уточнить существующие модели солнечной активности (прибор будет работать как в «спокойные» периоды, так и во время вспышек, накапливая статистику для анализа);
- улучшить прогнозы космической погоды (более раннее выявление и уточнение вероятности солнечных вспышек критически важно для защиты спутников, космонавтов и даже наземной инфраструктуры связи);
- применить полученные знания к далёким звёздам (модели, отработанные на Солнце, можно будет использовать для изучения звёзд, недоступных для прямого наблюдения в этом диапазоне).
Как устроен охотник за вспышками?
Во-первых, конечно, он рассчитан на гораздо более жёсткие условия, чем наземные приборы. Создание аппаратуры «Солнце-Терагерц» заняло немало лет: от первоначального технического задания до готового лётного образца. За это время аппаратура прошла полный цикл испытаний: её подвергали вибрациям, перегрузкам до 10g, термовакуумным тестам, имитирующим экстремальные температурные условия открытого космоса.
Сердце телескопа — ячейка Голея, детектор, способный регистрировать слабые потоки излучения (тепловой природы). Аппаратура состоит из восьми модулей, каждый из которых оснащён собственным фильтром. Это позволяет одновременно «видеть» Солнце в восьми различных «оттенках» терагерцевого спектра и затем уже собирать полную картину излучения.
После установки в открытом космосе, на поверхности МКС, прибор будет направлен от Земли и ориентирован на Солнце. Его разместят на специальной платформе с автоматизированным управлением. На освещённой стороне орбиты планируется измерять солнечное излучение, в тени — регистрировать фоновый уровень излучения.
«Прибор автоматически включается и работает непрерывно. Его оптика выполняет интегральные измерения всего солнечного диска, при этом ключевое значение имеет изменение сигнала относительно спокойного Солнца. Благодаря этому данные можно корректировать с учётом фонового уровня излучения, что позволяет надёжно фиксировать вспышки и активные события. Единственные периоды, когда необходимо отключать прибор — это процесс стыковки кораблей к станции, чтобы защитить тонкую оптику. Мы очень надеемся, что этот эксперимент ждёт успех, ведь аппаратура создавалась более десяти лет, и хочется верить, что наш труд не будет напрасным. Эксперимент «Солнце‑Терагерц» рассчитан на два-три года и, в первую очередь, послужит проверке гипотез о солнечных вспышках в терагерцевом диапазоне. Полученные данные помогут учёным лучше понять процессы на Солнце, а в будущем такие наблюдения могут стать основой для регулярного мониторинга солнечной активности», — рассказывает куратор эксперимента, главный специалист по системному проектированию РКК «Энергия» Ольга Криволапова.
Кстати, помимо мониторинга солнечной активности на орбите, данные о терагерцевом излучении могут пригодиться и непосредственно на Земле. Например, для разработки систем связи даже в медицине: в отличие от рентгена, это неионизирующее излучение и при низких уровнях мощности считается безопасным для человека. Благодаря вниманию учёных к деталям, фундаментальная наука часто приносит самые неожиданные, позитивные результаты для качества нашей жизни.