Солнечные гранулы

На фото — не куча золотых слитков неправильной формы и не карамельный попкорн, а самое детальное на данный момент изображение фотосферы Солнца.

Снимок был сделан 10 декабря 2019 года при помощи солнечного телескопа Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST) в обсерватории Халеакала (Haleakala Observatory) на острове Мауи (Гавайи, США). Телескоп ещё окончательно не введен в эксплуатацию, а уже не просто фотографирует Солнце, но делает это так, как раньше не удавалось ни одному инструменту. Главная «фишка» фотографии — разрешение: изображение покрывает область 36 500 на 36 500 километров (для сравнения: радиус Земли в среднем равен 6370 км), и мы впервые можем разглядеть детали размером около 30 километров на поверхности Солнца (по размеру это примерно как остров Манхэттен). Яркие образования на изображении, однако, побольше: поперечник одной такой «ячейки» составляет 700–1000 км, а площадь — примерно 700 тысяч квадратных километров (как Техас).

Эти «ячейки» называют гранулами (см. грануляция). Поверхность Солнца постоянно словно «кипит». Происходит конвекция: потоки горячей плазмы (светлые участки в центральной части гранул) поднимаются из более глубоких слоев солнечной атмосферы, а затем, охлаждаясь за счет потери энергии, «растекаются» и опускаются (темные области по краям гранул). Гранулы возникают хаотично и постоянно, в среднем одна такая гранула живет около восьми минут.

Раньше рассмотреть процесс грануляции с Земли было проблематично из-за относительно низкого разрешения наземных солнечных телескопов. С появлением DKIST ситуация изменилась. Беспрецедентного разрешения позволяет добиться четырехметровое зеркало — самое большое зеркало наземного солнечного телескопа в мире — вкупе с отличным астроклиматом на вершине гавайского вулкана Халеакала (высота около 3 км над уровнем моря).

Обсерватория Халеакала стоит выше облаков — ничто не мешает ей наблюдать Солнце. Фото с сайта nso.edu

Зеркало телескопа изготовлено из специальной стеклокерамики толщиной 7,6 см, она сохраняет свою форму даже при сильных перепадах температуры. Стеклокерамика покрыта тонким слоем алюминия, который обеспечивает поверхность с высокой отражающей способностью, необходимую для оптических и инфракрасных волн, на которых работает телескоп. Изображение фотосферы Солнца получено на длине волны 789 нм, это инфракрасное излучение.

Слева — схема DKIST в разрезе. 1 — система задержки тепла: металлический «пончик», охлаждаемый жидкостью, пропускает только узкий луч света, задерживая более 95% тепла. 2 — апертура, через которую свет попадает на телескоп, ее размер тщательно регулируется. 3 — главное зеркало телескопа, диаметром четыре метра. 4 — оптические и механические системы телескопа, которые передают свет от апертуры на научные приборы. 5 — здание с пунктом управления, лабораториями и прочими нужными помещениями. 6 — пункт управления телескопом. 7 — 150-тонная платформа, которая вращается, чтобы нейтрализовать вращение Солнца в небе. Справа — апертура телескопа открыта, солнечный свет освещает четырехметровое зеркало. Проводки на задней поверхности зеркала питают приводы, которые поддерживают зеркало в правильном положении. Изображения с сайта nso.edu

С одной стороны, Солнце — гигантский термоядерный реактор, расположенный на крошечном в астрономических масштабах расстоянии примерно в 150 млн км от нас, что позволяет рассмотреть его во всех деталях, а с другой — вполне заурядная звезда. Изучая ее, можно понять процессы, происходящие в звездах. Согласно распространенной среди астрономов шутке, наблюдать Солнце в телескоп можно дважды в жизни: сперва одним глазом, потом оставшимся. Нынешние технологии позволяют сделать наблюдения ближайшей к нам звезды безопасными и информативными.

Сейчас солнечная астрономия переживает всплеск. DKIST только-только достроен, а в полноценную эксплуатацию его планируется ввести в июле 2020 года. Но, учитывая его текущие успехи, уже можно надеяться на новые открытия.

Солнце изучают, конечно, не только с помощью наземных телескопов, но и благодаря аппаратам на околоземной орбите. С 1995 года изучением Солнца занимается орбитальная обсерватория SOHO; в 2010 была запущена обсерватория солнечной динамики (Solar Dynamic Observatory, SDO). Научные приборы этих миссий работают в разных диапазонах спектра: в видимом, инфракрасном и в ультрафиолетовом. Им не мешает земная атмосфера, но расстояние от них до Солнца так же велико, как и от наземных обсерваторий, а разрешение оставляет желать лучшего (к примеру, установленный на SDO инструмент AIA обладает максимальным разрешением в 1 угловую секунду, — наземный DKIST превосходит его по этому показателю примерно в 20 раз: его разрешение 0,05 угловых секунд), поэтому было решено отправить исследовательские миссии непосредственно к звезде. Прямо сейчас к Солнцу направляется солнечный зонд «Паркер» (Parker Solar Probe; см. картинку дня Солнечный зонд «Паркер»), запущенный 12 августа 2018 года, а на 10 февраля 2020 года назначен старт европейской миссии Solar Orbiter, которая будет укомплектована научными инструментами для изучения Солнца в еще более широкой области спектра — от рентгеновского излучения до радиоволн. В дальнейшем планируется комбинировать данные DKIST, «Паркера» и Solar Orbiter — таким образом ученые смогут получить более детальную и точную картину.

Эти космические аппараты позволяют не только получать фундаментальные научные знания (и красивые картинки), но и, например, предсказывать так называемую космическую погоду — солнечную активность, которая может влиять и на повседневную жизнь. Потоки заряженных частиц высоких энергий, которые рождаются во время всплесков этой активности, долетая до Земли, вызывают возмущения в магнитном поле — полярные сияния в высоких широтах, сбои в работе навигационных спутниковых систем и даже перебои в работе наземной электросети (в случае особо яростного шторма).

Фото с сайта nso.edu.

Анастасия Стебалина