Як сьогодні досліджують Сонце: що знаємо і чого не знаємо...

«Що таке Сонце?» — це запитання Наталії Геннадіївни, з якого почалася наша розмова, спантеличило. Бачу його у вікні просто зараз. Зоря, жовтий карлик. Але коли спілкуєшся з ученим такого рівня, боїшся сказати дурницю.

Наталія Щукіна працює у Головній астрономічній обсерваторії Національної академії наук України багато років. З 2002 року вона завідує відділом фізики Сонця ГАО. Член-кореспондент НАН України, доктор фізико-математичних наук, учасниця багатьох міжнародних проектів, зокрема разом з Інститутом астрофізики на Канарських островах в Іспанії та Астрономічним інститутом Утрехтського університету в Нідерландах.

Свого часу Наталія Геннадіївна з колегами з Нідерландів та Норвегії  запропонувала механізм, який дозволив пояснити причини свічення нового класу спектральних ліній, відкритих на початку 1980-х років у далекому інфрачервоному спектрі Сонця. Це дало великі можливості для діагностики з їхньою допомогою сонячних магнітних полів. Нещодавно їй та її співавторам з Інституту астрофізики на Канарських островах вдалось отримати раніше невідомі дані про топологію та енергію дрібномасштабних магнітних полів у фотосфері Сонця. А ще завдяки зусиллям Наталії Щукіної та її колег Сергія Осипова і Романа Костика була проведена реконструкція сонячного телескопа АЦУ-5, і тепер за спектральною роздільною здатністю він — у четвірці кращих у світі.

З Наталією Геннадіївною ми говорили про досягнення українських «сонячників», про те, навколо чого обертаються дослідження нашої зорі і чому попередження про магнітні бурі, скажімо, на наступний місяць є нісенітницею. Але спершу — все-таки про те, чим є Сонце.

«СВІТЛО ВІД СОНЦЯ, ЯКЕ ВИ БАЧИТЕ, З’ЯВИЛОСЬ ДО ПОЯВИ РОЗУМНОГО ЖИТТЯ НА ЗЕМЛІ»

— Сонце —  це рядова зоря, жовтий карлик, — починає розмову Наталія Щукіна. — Жовтий — бо якщо подивитися на розподіл енергії в спектрі, максимум енергії припадає на частину жовтого кольору. Карлик     — бо невеликий за розміром. Видима поверхня Сонця, фотосфера, сфера світла має температуру близько 5700 градусів. Радіус Сонця становить близько 700 тисяч кілометрів, густина його ядра дорівнює близько восьми густин золота, а густина зовнішньої оболонки, тобто фотосфери і хромосфери, — у десять тисяч разів менша, ніж густина повітря на Землі.

Наша зоря — саморегулівний термоядерний реактор, що забезпечує тривале і стабільне виробництво енергії. Найважливіша реакція — перетворення водню на  гелій в ядрі Сонця — триває мільярди років. У ядрі шляхом цих реакцій утворюються кванти, які після довгих блукань, так званої дифузії, в зоні променистого переносу досягають поверхні Сонця. У середньому кванти добираються до неї приблизно за мільйон років. Світло від Сонця, яке ви бачите, дуже старе. Вас ще не було, та й розумного життя на Землі — теж. Ядро і промениста зона займають дві третини від радіуса Сонця.

Наступний шар — конвективний. Тут енергія переноситься вже не випромінюванням, а конвекцією. Величезні потоки гарячого газу піднімаються вгору, де віддають своє тепло, а охолоджений сонячний газ опускається донизу. Здається, що сонячна речовина кипить і перемішується, як в’язка крупінчата маса на вогні. Конвективна зона сягає самої видимої поверхні Сонця, фотосфери.

ГОРИЗОНТАЛЬНИЙ СОНЯЧНИЙ ТЕЛЕСКОП АЦУ-5, НА ЯКОМУ ПРОВОДЯТЬ МОНІТОРИНГ ВАРІАЦІЙ СОНЦЯ У ВЕЛИКИХ МАСШТАБАХ ЧАСУ. ПІСЛЯ РЕКОНСТРУКЦІЇ, ЩО ЗАВЕРШИЛАСЬ 2012 РОКУ, ЗА СПЕКТРАЛЬНОЮ РОЗДІЛЬНОЮ ЗДАТНІСТЮ ВІН ВХОДИТЬ ДО ЧЕТВІРКИ НАЙКРАЩИХ ДІЮЧИХ ТЕЛЕСКОПІВ СВІТУ

Між променевою і конвективною зонами — тонкий шар — тахоклін. Там утворюється магнітне поле, яке формує активність Сонця.

Зовнішні шари — фотосфера, хромосфера і корона. Фотосфера — дуже тонкий шар, близько 500 кілометрів. Температура у глибоких її шарах становить близько 10 000 градусів, а з наближенням до верхньої межі вона падає до 4500 градусів. Фотосфера складається з гранул і міжгранул.

— Ці гранули і міжгранули схожі на киплячу рисову кашу.

— Але розміри зерняток у цій «каші» складають близько 700 кілометрів. Поверхня фотосфери бурлить, нагадуючи киплячу рідину.

Над фотосферою є хромосфера. Її товщина — близько 10 000 км. Це те, що ми бачимо по краях Сонця під час затемнення. У цьому шарі температура знов починає рости. Вона піднімається майже до 20 000 градусів. А у наступному шарі, короні, — розміром близько одного сонячного радіуса — температура ще вища, до мільйона градусів. Чому в нижньому шарі атмосфери Сонця, тобто у фотосфері, температура з висотою падає, а вище — у хромосфері і короні — стрімко зростає?  На це актуальне питання поки немає остаточної відповіді.

— Бачила, що розробки ГАО допомагають вирішити питання щодо нагріву хромосфери. Розкажіть детальніше про дослідження цієї проблеми українськими науковцями.

— Без знання джерел і механізмів нагрівання зовнішніх шарів Сонця неможливо зрозуміти причини циклічної активності Сонця, а значить, неможливо отримувати надійні прогнози космічної погоди, яка впливає на все, що відбувається на Землі.

Дослідження, які ведуться у відділі фізики Сонця Головної астрономічної обсерваторії НАН України спільно з іспанськими колегами з Інституту астрофізики на Канарських островах наблизили нас до розуміння проблеми накопичення та переносу енергії з нижніх шарів атмосфери Сонця, фотосфери, до верхніх шарів, хромосфери і корони. Результати цього дослідження були опубліковані в одному з найпрестижніших наукових журналів — Nature.

Ми вперше показали, що енергія турбулентних магнітних полів у спокійній атмосфері Сонця може бути істотно більшою, ніж передбачалося раніше. Цієї енергії достатньо для нагрівання хромосфери. Комп’ютерне моделювання, виконане нашою колишньою співробітницею Оленою Хоменко, яка зараз працює в Інституті астрофізики на Канарських островах, показало, що магнітна енергія може переноситися в хромосферу шляхом спільної дифузії електронів та іонів. 

«Є ДВІ ПРОГРАМИ МОНІТОРИНГУ ВАРІАЦІЙ СОНЦЯ У ВЕЛИКИХ МАСШТАБАХ ЧАСУ, Й ОДНА З НИХ — В УКРАЇНІ»

— На сайті ГАО читала, що горизонтальний сонячний телескоп АЦУ-5 після модернізації за спектральною роздільною здатністю став одним з найпотужніших у світі. Які дослідження це дозволяє проводити?

— З 1966 року горизонтальний сонячний телескоп АЦУ-5 ГАО НАН України задіяний у виконанні кількох спостережних проектів, у тому числі міжнародних. Під час виконання цих програм отримано низку важливих наукових результатів.

По-перше, побудовано самоузгоджену систему сил (сила осцилятора — це ймовірність поглинання електромагнітного випромінювання при переходах між рівнями енергії атома або молекули. — Авт.), яка широко використовується в усіх галузях астрофізики, де проводиться кількісний спектральний аналіз.

Також побудовано спектрофотометричну модель випромінювання Сонця в абсолютних енергетичних одиницях, яка використовується в астрофізиці, метеорології, геофізиці та аерономії для вирішення комплексу прикладних завдань. Наприклад, при моделюванні взаємодії сонячного випромінювання і земної атмосфери, при створенні імітаторів сонячного випромінювання і спектрофотометричних стандартів.

По-третє, за допомогою спостережень на телескопі АЦУ-5 здійснювалося налагодження телескопів серії ДИФОС для позаатмосферних досліджень глобальних коливань яскравості Сонця. Ці коливання містять інформацію про внутрішню будову Сонця. Телескопи ДИФОС були виведені на навколоземну орбіту й успішно працювали на борту міжнародних космічних станцій КОРОНАС-І у 1994 році та КОРОНАС-Ф у 2001—2005 роках.

Результати, отримані на телескопі АЦУ-5, опубліковані в зарубіжних журналах з високим показником цитованості: Nature, Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, Monthly Notices of the Royal Astronomical  Society, Solar Physics.

У 2011—2012 роках виконано реконструкцію телескопа АЦУ-5, вдосконалено його апаратно-програмний комплекс, проведений ремонт будівлі, де він розташовується. Наразі телескоп АЦУ-5 є унікальним науковим об’єктом, що найліпше пристосований для моніторингу спокійного Сонця. Серед його особливостей — якраз згадана висока спектральна роздільна здатність (R~430 000), за цим параметром він входить до четвірки кращих діючих телескопів світу.

Ще одна особливість АЦУ-5 — довготривала метрологічна стабільність. Сьогодні існують дві програми моніторингу варіацій Сонця у великих масштабах часу. Перша — американська спостережна програма SOLIS для довгострокових синоптичних оптичних досліджень Сонця. Для неї з 2006 року використовується  сонячний телескоп Національної сонячної обсерваторії Кіт-Пік у США. Друга — українська спостережна програма моніторингу, яка виконується з 2012 року на сонячному горизонтальному телескопі  АЦУ-5 у ГАО НАН України.

Завданням SOLIS є довготривалий моніторинг Сонця як зорі. Завдання програми ГАО НАН України —  довготривалий моніторинг спокійної компоненти атмосфери Сонця, варіації якої майже на порядок менші за варіації Сонця як зорі. На сьогодні ці варіації майже не вивчені.

Одним із важливих джерел даних про варіації Сонця є довготривалі, протягом 11-річного циклу сонячної активності, спостереження змін параметрів  фраунгоферових ліній (це лінії поглинання, видимі на тлі неперервного спектра Сонця та зір. — Авт.) в спектрі спокійних ділянок сонячної поверхні.

Моніторинг протягом 2012—2017 років на телескопі АЦУ-5 показав, що глибина і напівширина спектральних ліній у спокійних ділянках Сонця  реагують на модуляцію загального магнітного поля з 11-річним циклом сонячної активності. Ми пояснюємо поведінку зазначених параметрів варіаціями температури спокійної фотосфери Сонця протягом 11-річного циклу: фотосфера Сонця в максимумі сонячної активності стає гарячішою.

«СОНЯЧНА АКТИВНІСТЬ НАБЛИЖАЄТЬСЯ ДО МІНІМУМУ, СХОЖОГО НА МІНІМУМ ДАЛЬТОНА»

— Загалом для чого потрібен моніторинг Сонця? 

— По-перше, для розуміння, як сонячна активність впливає на космічну погоду, а саме — на іоносферу, магнітосферу, радіаційні пояси та озоновий шар, а також на біосферу Землі та соціальне життя на нашій планеті. Інформація про це допоможе запобігати негативному впливу проявів сонячної активності на здоров’я людини і діяльність суспільства.

По-друге, результати, які передбачається отримати під час моніторингу варіацій фізичних параметрів спокійної атмосфери Сонця з 11-річним циклом, мають важливе значення для вирішення глобальних проблем фізики Сонця. Серед них — проблема внутрішньої будови та еволюції цієї зорі та її магнітної активності, проблема енергетичної взаємодії «фотосфера — хромосфера — корона» та нагрівання останніх. Також це дозволяє вивчити механізми збудження еруптивних явищ на Сонці, причини циклів сонячної активності тощо.

— Коли ви завершували модернізацію телескопа, 2012-го, мав початися новий 11-річний цикл спостережень за Сонцем. Зараз вже друга половина цього циклу. Як ви його охарактеризуєте?

— Уточню: останній, 24-й, цикл сонячної активності почався у 2009 році. Ми почали свою програму моніторингу незадовго до першого максимуму цього циклу, у 2012-му. З того року спостереження проводяться з березня по жовтень щодня, коли дозволяють погодні умови. Загальна кількість днів спостережень за період з 2012 до 2017 року перевищила 340 днів.

У даний час ми наближаємося до мінімуму 24-го циклу. Рівень активності Сонця в цьому циклі в чотири рази нижче максимальних значень, зафіксованих за 260 років безперервних спостережень Сонця. Іншими словами, сонячна активність наближається до мінімуму, схожого на мінімум Дальтона, який спостерігався в 1790—1830 роках. Нагадаю, мінімум Дальтона і більш відомий мінімум Маундера, що припав на 1645—1715 роки, збігаються за часом з глобальним похолоданням клімату в XVII і XIX століттях.

ПРО ГАЗОВІ БУЛЬБАШКИ, В ЯКИХ УТВОРЮЮТЬСЯ ЗОРІ

— Нещодавно у виданні The Astrophysical Journal Letters опублікували дослідження науковців Чиказького університету, відповідно до якого Сонячна система могла утворитися в оболонці, свого роду бульбашці, навколо гігантської мертвої зорі. Як ви ставитесь до цієї гіпотези? Що ще треба з’ясувати стосовно походження Сонячної системи?

— Існує мінімум дві теорії про те, як могла сформуватися Сонячна система. Жодна з них не може пояснити всі факти, що спостерігаються.

Згідно з загальнопоширеною теорією, наша Сонячна система сформувалася близько п’яти мільярдів років тому в результаті вибуху наднової зорі. Через цей вибух виникла газопилова туманність, і саме з неї згодом утворилося наше Сонце.

Відомо, що наднові виробляють однакову кількість ізотопу алюмінію-26 і ізотопу заліза-60. Водночас у метеоритах, які збереглися з часів молодої Сонячної системи, спостерігається надлишок ізотопу алюмінію-26 і дефіцит ізотопу заліза-60. Вчені Чиказького університету показали, що цей факт можна пояснити, якщо припустити, що наша система утворилась не в результаті вибуху наднової, а в результаті вибуху зорі класу Вольфа — Райє, яка за розміром у 40—50  разів більша нинішнього Сонця.

Вважається, що зорі Вольфа — Райє виробляють різноманітні хімічні елементи, які здуваються з їх поверхні зоряним вітром. Комп’ютерне моделювання показало, що в результаті цього процесу навколо зір Вольфа — Райє протягом мільйонів років формуються так звані газові бульбашки з підвищеним вмістом ізотопу алюмінію-26 і зниженим — ізотопу заліза-60. Оболонка подібних бульбашок і пил та газ, які скупчуються під ними, являють собою ідеальне середовище для виробництва нових зірок і утворення планетних систем, подібних до нашої Сонячної системи. Самі ж зорі Вольфа — Райє завершують існування або вибухнувши як наднові, або колапсуючи безпосередньо в чорну діру.

Астрономи вважають, що приблизно від одного до 16 відсотків всіх сонцеподібних зір могли з’явитися саме в результаті такого сценарію.

— Як дослідження Сонця допомагають вивчати формування хімічних елементів після Великого вибуху, еволюцію галактик і зір загалом?

— Співробітники відділу фізики Сонця ГАО НАН України зі співавторами з Іспанії, Нідерландів, Норвегії, США та Австралії провели цикл досліджень із  визначення хімічного складу Сонця та зір.

Визначення вмісту хімічних елементів у Сонці, виконане низкою дослідників на початку 2000-х років, показало аномально низьку металевість Сонця. Це суперечило даним геліосейсмології і теорії внутрішньої будови Сонця.  Для вирішення цієї проблеми ми з колегами перевизначили величини вмісту вуглецю, азоту, кремнію та заліза у фотосфері Сонця. Останні два елементи використовуються як стандарт при визначенні металевості Сонця і метеоритного вмісту. Ці дослідження показали, що перегляду вмісту в Сонці заліза і кремнію можна уникнути, якщо взяти до уваги низку фізичних ефектів, які не враховувалися в попередніх дослідженнях.

Іншим важливим досягненням є дослідження хімічного складу зір, які утворились на різних етапах еволюції Всесвіту. Співробітники нашого відділу отримали математичні співвідношення для великої сітки моделей атмосфер зір, які дозволяють оцінити вміст літію, кисню і заліза залежно від ефективної температури, прискорення сили тяжіння та металевості. Ці результати мають важливе значення при розв’язанні таких фундаментальних питань астрофізики, як походження Всесвіту та його еволюція, нуклеосинтез елементів під час Великого вибуху, еволюція галактик та зір, внутрішня будова та структура атмосфер зір і Сонця.

«ІЗ 1900 РОКУ ЗБИТКИ ВІД КАТАСТРОФ, ПОВ’ЯЗАНИХ ІЗ СОНЯЧНОЮ АКТИВНІСТЮ, ОЦІНЮЮТЬСЯ У ТРИЛЬЙОНИ ДОЛАРІВ»

— Як на пристойних, так і на не дуже солідних сайтах часом можна читати про аномальну сонячну активність, яка впливає на життя землян. Наскільки обґрунтовані твердження про вплив на людей аномалій на Сонці?

— Ніякої аномальної сонячної активності і ніяких аномалій на Сонці немає. Просто є добре відомий цикл сонячної активності. У середньому його тривалість між двома сусідніми мінімумами — 11 років, але також вона може бути менше, близько семи років, і більше, до 13 років.

Сонячна активність через міжпланетне середовище впливає на Землю, а саме на іоносферу, магнітосферу, радіаційні пояси та озоновий шар. До числа її проявів належать ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання Сонця, сонячний вітер, викиди речовини під час спалахів і корональні викиди маси.

Ультрафіолетове і рентгенівське випромінювання, досягаючи Землі за вісім хвилин, іонізують її атмосферу і руйнують озоновий шар. Високоенергетичні заряджені частинки приблизно через 100 хвилин іонізують верхню атмосферу і змінюють геомагнітне поле. Викиди речовини під час сонячних спалахів і корональних викидів маси через півтори-дві доби призводять до геомагнітних бур. Помірні бурі відбуваються з частотою приблизно одна на тиждень, а найсильніші бурі трапляються набагато рідше  —  раз на два-три роки.

Екстремально потужні магнітні бурі можуть призводити до руйнування енергетичних систем і пошкодження трансформаторів. Наприклад, так було із відключенням електропостачання у канадському Квебеку в 1989 році. Вони впливають на космічні апарати, їх орієнтацію, зв’язок з ними та їх системи стеження. Під час бур є ймовірність отримання небезпечних для здоров’я космонавтів і авіапасажирів трансконтинентальних рейсів радіаційних доз.

Мішенями магнітної бурі стають легені, кровоносна, серцево-судинна і вегетативна нервова системи людини. Більша частина інфарктів та інсультів трапляється саме під час магнітних бур. Основними групами ризику є хворі з патологіями серцево-судинної системи, особливо ті, хто переніс інфаркт міокарда, здорові люди з функціональним перенапруженням — космонавти, пілоти трансконтинентальних рейсів, оператори і диспетчери енергетичних станцій, аеропортів, а також діти в період розвитку з несформованою адаптаційною системою.

Через сонячну активність відбуваються збої комп’ютерних систем, мобільного і супутникового зв’язку, спотворення радіохвиль і порушення радіозв’язку, а також ускладнення в роботі аеропортів. Спостерігається кореляція сонячної активності з низкою природних і соціальних явищ: зі зміною рівня ґрунтових вод, повторюваністю посух та ураганів, числом землетрусів, епідеміями, зростанням злочинності тощо.

Починаючи з 1900 року, збитки від різного роду катастроф, пов’язаних із сонячною активністю, оцінюються у трильйони доларів. Мільйони людей стають жертвами природних катаклізмів. Щоб завчасно передбачити вплив сонячної активності на біосферу та соціально-економічну систему Землі, необхідно проводити моделювання космічної погоди, яке неможливе без моніторингу глобальних змін Сонця на тривалих відрізках часу.

— Чи можна спрогнозувати сонячну активність заздалегідь?

— На сьогодні найбільш надійні ймовірнісні дводобовий і одногодинний прогнози. Їхня імовірність, відповідно, близько 30—50% і близько 95%. Дводобовий прогноз спирається на поточні спостереження Сонця поблизу центрального меридіана. Одногодинний прогноз використовує прямі вимірювання параметрів плазми і магнітного поля на космічних апаратах.

«СЕРЕД ПЕРЕСІЧНИХ УКРАЇНЦІВ ІНТЕРЕС ДО НАУКИ ЗРОСТАЄ. ВЛАДУ НАУКА НЕ ЦІКАВИТЬ»

— Наталіє Геннадіївно, нещодавно ви проводили публічну лекцію, розповідали про еволюцію Сонця та його дослідження. За вашими спостереженнями, чи збільшується цікавість українців до науки?

— Моя відповідь на ваше запитання залежить від того, про які категорії українців йдеться. Якщо говорити про пересічних українців і особливо молодь — так, інтерес до науки зростає. Якщо говорити про керівників держави і всіх, хто має стосунок до української влади, то моя відповідь — ні.

У виступах керівництва держави ви не почуєте саме слово «наука». Напевно, тому, що цю категорію українців наука взагалі не цікавить. Більш того, створюється враження, що керівництво держави просто не розуміє вирішальну роль науки для успішного розвитку і процвітання України. Звідси — жебрацьке фінансування наукових інститутів, відсутність грошей на наукове обладнання та опалення, неповний робочий тиждень, та, як наслідок, масовий відтік «наукових мізків» у закордонні інститути, туди, де наука      — пріоритет у суспільстві.

— Доволі популярними у нас є книжки Стівена Гокінґа, кілька років тому перекладені українською. Насамперед вони стосуються еволюції Всесвіту, виникнення чорних дір. Можете порадити науково-популярні книжки про Сонце?

— Зазначу, що крім книг Стівена Гокінґа, варто згадати книги Карла Сагана і Йосипа Самуїловича Шкловського. Їхні книги «Космос» і «Всесвіт, життя, розум», опубліковані в 1980 році, не втратили актуальності і зараз. З них ми можемо дізнатися про еволюцію Всесвіту, формування галактик, зародження життя і розуму, про можливість існування життя в інших планетних системах.

Щодо популярних книг про Сонце, то в останні роки публікується дуже багато цікавих і прекрасно ілюстрованих книг з астрономії для дітей. Інформацію про них можна отримати, наприклад, на сайті «Мамина сказка», у розділі «Космос». Думаю, ці книги цікаві і для дорослих.

На жаль, справді популярних книг про Сонце, опублікованих в останні роки для дорослої аудиторії, немає. Я можу порекомендувати насамперед книгу відомого українського астронома Івана Антоновича Климишина «Астрономія наших днів», видану 1986 року. У ній розповідається про основні уявлення, поняття і закони, на яких базуються спостережна і теоретична астрономія, астрофізика, радіоастрономія. Автор описує практично всі відомі небесні об’єкти — Сонце, Місяць, планети, зірки, галактики, пульсари, чорні діри і квазари.

— Певним чином Сонце на виду у всіх землян, ви самі детально його досліджуєте багато років. Що залишається найбільшою загадкою щодо Сонця?

— Немає загадок, є наукові проблеми та завдання, які вирішуються або які ще належить вирішити. Я згадаю кілька з них.

Спалахи. Ми знаємо багато деталей про цей вибуховий процес виділення енергії в атмосфері Сонця, ми розуміємо основні механізми спалахів, але багато деталей відсутні. Наприклад, ми не можемо передбачити з високою ймовірністю, коли і де буде спалах, або наскільки він буде потужним.

У стадії дискусії також питання про причини високої температури корони, це мільйони градусів. Що гріє її? Чи можуть хвилі нагріти верхні шари атмосфери Сонця? Якщо так, який тип хвиль є найбільш ефективним для цього?

Ми ще не вміємо прогнозувати сонячну активність завчасно, не за кілька годин і днів, а за кілька років наперед.

І ще ми не можемо завчасно передбачити вплив сонячної активності на біосферу та соціально-економічну систему Землі.