Как сегодня исследуют Солнце: что мы знаем и чего не знаем...

«Что такое Солнце?» — это вопрос Натальи Геннадиевны, с которого начался наш разговор, озадачил. Вижу его в окне просто сейчас. Звезда, желтый карлик. Но когда общаешься с ученым такого уровня, боишься сказать глупость.

Наталья Щукина работает в Главной астрономической обсерватории Национальной академии наук Украины много лет. С 2002 года она заведует отделом физики Солнца ГАО. Член-корреспондент НАН Украины, доктор физико-математических наук, участница многих международных проектов, в частности вместе с Институтом астрофизики на Канарских островах в Испании и Астрономическим институтом Утрехтского университета в Нидерландах.

В свое время Наталия Геннадиевна с коллегами из Нидерландов и Норвегии  предложила механизм, который позволил объяснить причины свечения нового класса спектральных линий, открытых в начале 1980-х годов в далеком инфракрасном спектре Солнца. Это дало большие возможности для диагностики с их помощью солнечных магнитных полей. Недавно ей и ее соавторам из Института астрофизики на Канарских островах удалось получить ранее неизвестные данные о топологии и энергии мелкомасштабных магнитных полей в фотосфере Солнца. А еще благодаря усилиям Натальи Щукиной и ее коллег, Сергея Осипова и Романа Костика, была проведена реконструкция солнечного телескопа АЦУ-5, и теперь по спектральной разрешающей способности он — в четверке лучших в мире.

С Натальей Геннадиевной мы говорили о достижении украинских «солнечников», о том, вокруг чего вращаются исследования нашей звезды и почему предупреждение о магнитных бурях, скажем, на следующий месяц является бессмыслицей. Но сначала — все-таки о том, чем является Солнце.

«СВЕТ ОТ СОЛНЦА, КОТОРОЕ ВЫ ВИДИТЕ, ПОЯВИЛОСЬ ДО ПОЯВЛЕНИЯ РАЗУМНОЙ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ»

— Солнце — это простая звезда, желтый карлик, — начинает разговор Наталья Щукина. — Желтый — потому что если посмотреть на распределение энергии в спектре, максимум энергии приходится на часть желтого цвета. Карлик — потому что небольшой по размеру. Видимая поверхность Солнца, фотосфера, сфера светлая имеет температуру около 5700 градусов. Радиус Солнца составляет около 700 тысяч километров, плотность его ядра равна около восьми (г) золота, а плотность внешней оболочки, то есть фотосферы и хромосферы, — в десять тысяч раз меньше, чем плотность воздуха на Земле.

Наша звезда — саморегулирующийся термоядерный реактор, который обеспечивает длительное и стабильное производство энергии. Важнейшая реакция — превращение водорода в гелий в ядре Солнца — длится миллиарды лет. В ядре путем этих реакций образуются кванты, которые после длинных блужданий, так называемой диффузии, в зоне лучезарного переноса достигают поверхности Солнца. В среднем кванты добираются до нее примерно за миллион лет. Свет от Солнца, который вы видите, очень старый. Вас еще не было, да и разумной жизни на Земле тоже. Ядро и лучезарная зона занимают две трети радиуса Солнца.

Следующий слой — конвективный. Здесь энергия переносится уже не излучением, а конвекцией. Огромные потоки горячего газа поднимаются вверх, где отдают свое тепло, а охлажденный солнечный газ опускается книзу. Кажется, что солнечное вещество кипит и перемешивается, как вязкая крупинчатая масса на огне. Конвективная зона достигает самой видимой поверхности Солнца, фотосферы.

ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ТЕЛЕСКОП АЦУ-5, НА КОТОРОМ ПРОВОДЯТ МОНИТОРИНГ ВАРИАЦИЙ СОЛНЦА В БОЛЬШИХ МАСШТАБАХ ВРЕМЕНИ. ПОСЛЕ РЕКОНСТРУКЦИИ, ЗАВЕРШЕННОЙ В 2012 ГОДУ, ПО СПЕКТРАЛЬНОМУ РАЗРЕШЕНИЮ ОН ВХОДИТ В ЧЕТВЕРКУ ЛУЧШИХ ДЕЙСТВУЮЩИХ ТЕЛЕСКОПОВ МИРА

Между лучевой и конвективной зонами находится тонкий слой — тахоклин. Там образуется магнитное поле, которое формирует активность Солнца.

Внешние слои — фотосфера, хромосфера и корона. Фотосфера — очень тонкий слой, около 500 километров. Температура в глубоких ее слоях составляет около 10 000 градусов, а с приближением к верхнему пределу она падает до 4500 градусов. Фотосфера состоит из гранул и межгранул.

— Эти гранулы и межгранулы похожи на кипящую рисовую кашу.

— Но размеры зернышек в этой «каше» составляют около 700 километров. Поверхность фотосферы бурлит, напоминая кипящую жидкость.

Над фотосферой есть хромосфера. Ее толщина — около 10 000 км. Это то, что мы видим по краям Солнца во время затемнения. В этом слое температура снова начинает расти. Она поднимается почти до 20 000 градусов. А в следующем слое, короне — размером около одного солнечного радиуса — температура еще более высокая, до миллиона градусов. Почему в нижнем слое атмосферы Солнца, то есть в фотосфере, температура с высотой падает, а выше — в хромосфере и короне — стремительно растет? На этот актуальный вопрос пока нет окончательного ответа.

— Видела, что разработки ГАО помогают решить вопрос относительно нагрева хромосферы. Расскажите детальнее об исследовании этой проблемы украинскими учеными.

— Без знания источников и механизмов нагревания внешних слоев Солнца невозможно понять причины циклической активности Солнца, а значит, невозможно получать надежные прогнозы космической погоды, которая влияет на все, что происходит на Земле.

Исследования, которые ведутся в отделе физики Солнца Главной астрономической обсерватории НАН Украины совместно с испанскими коллегами из Института астрофизики на Канарских островах, приблизили нас к пониманию проблемы накопления и переноса энергии из нижних слоев атмосферы Солнца, фотосферы, к верхним слоям, хромосфере и короне. Результаты этого исследования были опубликованы в одном из самых престижных научных журналов — Nature.

Мы впервые показали, что энергия турбулентных магнитных полей в спокойной атмосфере Солнца может быть существенно больше, чем предусматривалось раньше. Этой энергии достаточно для нагревания хромосферы. Компьютерное моделирование, выполненное нашей бывшей сотрудницей Еленой Хоменко, которая в настоящий момент работает в Институте астрофизики на Канарских островах, показало, что магнитная энергия может переноситься в хромосферу путем общей диффузии электронов и ионов.

«ЕСТЬ ДВЕ ПРОГРАММЫ МОНИТОРИНГА ВАРИАЦИЙ СОЛНЦА В БОЛЬШИХ МАСШТАБАХ ВРЕМЕНИ, И ОДНА ИЗ НИХ — В УКРАИНЕ»

— На сайте ГАО читала, что горизонтальный солнечный телескоп АЦУ-5 после модернизации по спектральной разрешающей способности стал одним из наиболее мощных в мире. Какие исследования это позволяет проводить?

— С 1966 года горизонтальный солнечный телескоп АЦУ-5 ГАО НАН Украины задействован в исполнении нескольких наблюдательных проектов, в том числе международных. Во время выполнения этих программ получен ряд важных научных результатов.

Во-первых, построена самосогласованная система сил (сила осциллятора — это вероятность поглощения электромагнитного излучения при переходах между уровнями энергии атома или молекулы. — Авт.), которая широко используется во всех отраслях астрофизики, где проводится количественный спектральный анализ.

Также построена спектрофотометрическая модель излучения Солнца в абсолютных энергетических единицах, которая используется в астрофизике, метеорологии, геофизике и аэрономии для решения комплекса прикладных заданий. Например, при моделировании взаимодействия солнечного излучения и земной атмосферы, при создании имитаторов солнечного излучения и спектрофотометрических стандартов.

В-третьих, с помощью наблюдений на телескопе АЦУ-5 осуществлялось налаживание телескопов серии ДИФОС для внеатмосферных исследований глобальных колебаний яркости Солнца. Эти колебания содержат информацию о внутреннем строении Солнца. Телескопы ДИФОС были выведены на околоземную орбиту и успешно работали на борту международных космических станций КОРОНАС-І в 1994 году и КОРОНАС-Ф в 2001—2005 годах.

Результаты, полученные на телескопе АЦУ-5, опубликованы в зарубежных журналах с высоким показателем цитируемости: Nature, Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, Monthly Notices of the Royal Astronomical  Society, Solar Physics.

В 2011—2012 годах выполнена реконструкция телескопа АЦУ-5, усовершенствован его аппаратно-программный комплекс, произведен ремонт здания, где он располагается. Теперь телескоп АЦУ-5 является уникальным научным объектом, который лучше всего приспособлен для мониторинга спокойного Солнца. Среди его особенностей — как раз упомянутая высокая спектральная разрешающая способность (R~430 000), по этому параметру он входит в четверку лучших действующих телескопов мира.

Еще одна особенность АЦУ-5 — долговременная метрологическая стабильность. Сегодня существуют две программы мониторинга вариаций Солнца в больших масштабах времени. Первая — американская наблюдательная программа SOLIS для долгосрочных синоптических оптических исследований Солнца. Для нее с 2006 года используется солнечный телескоп Национальной солнечной обсерватории Кит-Пик в США. Вторая — украинская наблюдательная программа мониторинга, которая выполняется с 2012 года на солнечном горизонтальном телескопе АЦУ-5 в ГАО НАН Украины.

Заданием SOLIS является долговременный мониторинг Солнца как звезды. Задание программы ГАО НАН Украины — долговременный мониторинг спокойной компоненты атмосферы Солнца, вариации которой почти на порядок меньше вариаций Солнца как звезды. На сегодня эти вариации почти не изучены.

Одним из важных источников данных о вариациях Солнца долговременны, в течение 11-летнего цикла солнечной активности, наблюдения изменений параметров фраунгоферовых линий (это линии поглощения, видимые на фоне непрерывного спектра солнца и зрения. — Авт.) в спектре спокойных участков солнечной поверхности.

Мониторинг в течение 2012—2017 годов на телескопе АЦУ-5 показал, что глубина и полуширина спектральных линий в спокойных участках Солнца  реагируют на модуляцию общего магнитного поля с 11-летним циклом солнечной активности. Мы объясняем поведение указанных параметров вариациями температуры спокойной фотосферы Солнца в течение 11-летнего цикла: фотосфера Солнца в максимуме солнечной активности становится горячее.

«СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ ПРИБЛИЖАЕТСЯ К МИНИМУМУ, ПОХОЖЕМУ НА МИНИМУМ ДАЛЬТОНА»

— В целом, для чего нужен мониторинг Солнца?

— Во-первых, для понимания, как солнечная активность влияет на космическую погоду, а именно — на ионосферу, магнитосферу, радиационные пояса и озоновый слой, а также на биосферу Земли и социальную жизнь на нашей планете. Информация об этом поможет предотвращать негативное влияние проявлений солнечной активности на здоровье человека и деятельность общества.

Во-вторых, результаты, которые предусмотрено получить во время мониторинга вариаций физических параметров спокойной атмосферы Солнца с 11-летним циклом, имеют важное значение для решения глобальных проблем физики Солнца. Среди них — проблема внутреннего строения и эволюции этой зари и ее магнитной активности, проблема энергетического взаимодействия «фотосфера — хромосфера — корона» и нагревание последних. Также это позволяет выучить механизмы возбуждения эруптивных явлений на Солнце, причины циклов солнечной активности и тому подобное.

— Когда вы завершали модернизацию телескопа, в 2012-м, должен был начаться новый 11-летний цикл наблюдений по Солнцу. Сейчас идет вторая половина этого цикла. Как вы его охарактеризуете?

— Уточню: последний, 24-й, цикл солнечной активности начался в 2009 году. Мы начали свою программу мониторинга незадолго до первого максимума этого цикла, в 2012-м. С этого момента наблюдения проводятся с марта по октябрь ежедневно, когда позволяют погодные условия. Общее количество дней наблюдений за период с 2012 до 2017 года превысили 340 дней.

В данное время мы приближаемся к минимуму 24-го цикла. Уровень активности Солнца в этом цикле в четыре раза ниже максимальных значений, зафиксированных за 260 лет непрерывных наблюдений Солнца. Другими словами, солнечная активность приближается к минимуму, похожему на минимум Дальтона, который наблюдался в 1790—1830 годах. Напомню, минимум Дальтона и более известный минимум Маундера, который пришелся на 1645—1715 годы, совпадают по времени с глобальным похолоданием климата в XVII и XIX веках.

О ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЬКАХ, В КОТОРЫХ ОБРАЗУЮТСЯ ЗВЕЗДЫ

— Недавно в издании The Astrophysical Journal Letters опубликовали исследование научных работников Чикагского университета, в соответствии с которым Солнечная система могла образоваться в оболочке, своего рода пузырьке, вокруг гигантской мертвой звезды. Как вы относитесь к этой гипотезе? Что еще нужно выяснить относительно происхождения Солнечной системы?

— Существует минимум две теории о том, как могла сформироваться Солнечная система. Ни одна из них не может объяснить все факты, которые наблюдаются.

Согласно общераспространенной теории, наша Солнечная система сформировалась около пяти миллиардов лет назад в результате взрыва сверхновой звезды. Из-за этого взрыва возникла газопылевая туманность, и именно из нее впоследствии образовалось наше Солнце.

Известно, что сверхновые производят одинаковое количество изотопа алюминия-26 и изотопа железа-60. В то же время в метеоритах, которые сохранились со времен молодой Солнечной системы, наблюдается избыток изотопа алюминия-26 и дефицит изотопа железа-60. Ученые Чикагского университета показали, что этот факт можно объяснить, если допустить, что наша система образовалась не в результате взрыва сверхновой, а в результате взрыва звезды класса Вольфа-Райе, которая по размеру в 40—50 раз больше нынешнего Солнца.

Считается, что звезды Вольфа-Райе производят разнообразные химические элементы, которые сдуваются с их поверхности звездным ветром. Компьютерное моделирование показало, что в результате этого процесса вокруг звезды Вольфа-Райе в течение миллионов лет формируются так называемые газовые пузырьки с повышенным содержанием изотопа алюминия-26 и сниженным уровнем изотопа железа-60. Оболочка подобных пузырьков, пыль и газ, которые скапливаются под ними, являют собой идеальную среду для производства новых звезд и образование планетных систем, подобных нашей Солнечной системе. Сами же звезды Вольфа-Райе завершают существование либо взорвавшись как сверхновые, либо коллапсируя непосредственно в черную дыру.

Астрономы считают, что приблизительно от одного до 16 процентов всех солнцеподобных звезд могли появиться именно в результате такого сценария.

— Как исследования Солнца помогают изучать формирование химических элементов после Большого взрыва, эволюцию галактик и звезды в целом?

— Сотрудники отдела физики Солнца ГАО НАН Украины с соавторами из Испании, Нидерландов, Норвегии, США и Австралии провели цикл исследований по определению химического состава Солнца и звезд.

Определение содержимого химических элементов в Солнце, выполненное рядом исследователей в начале 2000-х годов, показало аномально низкую металлоемкость Солнца. Это противоречило данным гелиосейсмологии и теории внутреннего строения Солнца. Для решения этой проблемы мы с коллегами переопределили величины содержимого углерода, азота, кремния и железа в фотосфере Солнца. Последние два элемента используются в качестве стандарта при определении металлоемкости Солнца и метеоритного содержимого. Эти исследования показали, что пересмотра содержания в Солнце железа и кремния можно избежать, если принять во внимание ряд физических эффектов, которые не учитывались в предыдущих исследованиях.

Другим важным достижением является исследование химического состава звезд, которые образовались на разных этапах эволюции Вселенной. Сотрудники нашего отдела получили математические соотношения для большой сетки моделей атмосфер звезд, которые позволяют оценить содержимое лития, кислорода и железа в зависимости от эффективной температуры, ускорения силы притяжения и металлоемкости. Эти результаты имеют важное значение при решении таких фундаментальных вопросов астрофизики, как происхождение Вселенной и его эволюция, нуклеосинтез элементов во время Большого взрыва, эволюция галактик и звезды, внутреннее строение и структура атмосфер звезд и Солнца.

«С 1900 ГОДА УБЫТКИ ОТ КАТАСТРОФ, СВЯЗАННЫХ С СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ, ОЦЕНИВАЮТСЯ В ТРИЛЛИОНЫ ДОЛЛАРОВ»

— Как на приличных, так и на не очень солидных сайтах иногда можно читать об аномальной солнечной активности, которая влияет на жизнь землян. Насколько обоснованными являются утверждения о влиянии на людей аномалий на Солнце?

— Никакой аномальной солнечной активности и никаких аномалий на Солнце нет. Просто есть хорошо известный цикл солнечной активности. В среднем его длительность между двумя соседними минимумами — 11 лет, но также она может быть меньше, около семи лет, и больше, до 13 лет.

Солнечная активность через междупланетную среду влияет на Землю, а именно на ионосферу, магнитосферу, радиационные пояса и озоновый слой. К числу ее проявлений принадлежат ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца, солнечный ветер, выбросы вещества во время вспышек и корональные выбросы массы.

Ультрафиолетовое и рентгеновское излучения, достигая Земли за восемь минут, ионизируют ее атмосферу и разрушают озоновый слой. Высокоэнергетические заряженные частицы приблизительно через 100 минут ионизируют верхнюю атмосферу и изменяют геомагнитное поле. Выбросы вещества во время солнечных вспышек и корональных выбросов массы через полтора-двое суток приводят к геомагнитным бурям. Умеренные бури происходят с частотой приблизительно одна в неделю, а самые сильные бури случаются намного реже — раз в два-три года.

Экстремально мощные магнитные бури могут приводить к разрушению энергетических систем и повреждению трансформаторов. Например, так было с отключением электроснабжения в канадском Квебеке в 1989 году. Они влияют на космические аппараты, их ориентацию, связь с ними и их системы слежки. Во время бурь есть вероятность получения опасных для здоровья космонавтов и авиапассажиров трансконтинентальных рейсов радиационных доз.

Мишенями магнитной бури становятся легкие, кровеносная, сердечно-сосудистая и вегетативная нервная система человека. Большая часть инфарктов и инсультов случается именно во время магнитных бурь. Основными группами риска являются больные с патологиями сердечно-сосудистой системы, особенно те, кто перенес инфаркт миокарда, здоровые люди с функциональным перенапряжением — космонавты, пилоты трансконтинентальных рейсов, операторы и диспетчеры энергетических станций, аэропортов, а также дети в период развития с несформированной адаптационной системой.

По причине солнечной активности происходят сбои компьютерных систем, мобильной и спутниковой связи, искажение радиоволн и нарушение радиосвязи, а также осложнения в роботе аэропортов. Наблюдается корреляция солнечной активности с рядом природных и социальных явлений: с изменением уровня грунтовых вод, повторяемостью засух и ураганов, многочисленными землетрясениями, эпидемиями, ростом преступности и тому подобное.

Начиная с 1900 года, убытки от разного рода катастроф, связанных с солнечной активностью, оцениваются в триллионы долларов. Миллионы людей становятся жертвами природных катаклизмов. Чтобы заблаговременно предусмотреть влияние солнечной активности на биосферу и социально-экономическую систему Земли, необходимо проводить моделирование космической погоды, которое невозможно без мониторинга глобальных изменений Солнца в длительные отрезки времени.

— Можно ли спрогнозировать солнечную активность предварительно?

— На сегодня наиболее надежные вероятностные двухсуточный и одночасовой прогнозы. Их вероятность, соответственно, около 30—50% и около 95%. Двухсуточный прогноз основывается на текущие наблюдения Солнца вблизи центрального меридиана. Одночасовой прогноз использует прямые измерения параметров плазмы и магнитного поля на космических аппаратах.

«СРЕДИ РЯДОВЫХ УКРАИНЦЕВ ИНТЕРЕС К НАУКЕ РАСТЕТ. ВЛАСТЬ НАУКОЙ НЕ ИНТЕРЕСУЕТСЯ»

— Наталья Геннадиевна, недавно вы проводили публичную лекцию, рассказывали об эволюции Солнца и его исследованиях.

— Мой ответ на ваш вопрос зависит от того, о каких категориях украинцев идет речь. Если говорить о рядовых украинцах и особенно молодежи — да, интерес к науке растет. Если говорить о руководителях государства и всех, кто имеет отношение к украинской власти, то мой ответ — нет.

В выступлениях руководства государства вы не услышите само слово «наука». Наверно, потому, что эту категорию украинцев наука вообще не интересует. Более того, создается впечатление, что руководство государства просто не понимает решающую роль науки для успешного развития и процветания Украины. Отсюда — нищенское финансирование научных институтов, отсутствие денег на научное оборудование и отопление, неполная рабочая неделя, и, как следствие, массовый отток «научных мозгов» в зарубежные институты, туда, где наука — приоритет в обществе.

— Достаточно популярными у нас являются книги Стивена Гокинга, пару лет назад переведенные на украинский язык. В первую очередь, они касаются эволюции Вселенной, возникновения черных дыр. Можете посоветовать научно-популярные книги о Солнце?

— Отмечу, что кроме книг Стивена Гокинга, стоит вспомнить книги Карла Сагана и Иосифа Самуиловича Шкловского. Их книги «Космос» и «Вселенная, жизнь, разум», опубликованные в 1980 году, не утратили актуальности и сегодня. Из них мы можем узнать об эволюции Вселенной, формировании галактик, зарождении жизни и ума, о возможности существования жизни в других планетных системах.

Относительно популярных книг о Солнце, то в последние годы публикуется очень много интересных и прекрасно иллюстрированных книг по астрономии для детей. Информацию о них можно получить, например, на сайте «Мамина сказка», в разделе «Космос». Думаю, эти книги интересны и для взрослых.

К сожалению, действительно популярных книг о Солнце, опубликованных в последние годы для взрослой аудитории, нет. Я могу порекомендовать в первую очередь книгу известного украинского астронома Ивана Антоновича Климишина «Астрономия наших дней», выпущенную в 1986 году. В ней рассказывается об основных представлениях, понятиях и законах, на которых базируются наблюдательная и теоретическая астрономия, астрофизика, радиоастрономия. Автор описывает практически все известные небесные объекты — Солнце, Луну, планеты, звезды, галактики, пульсары, черные дыры и квазары.

— Определенным образом Солнце на виду у всех землян, вы сами детально его исследуете много лет. Что остается наибольшей загадкой относительно Солнца?

— Нет загадок, есть научные проблемы и задачи, которые решаются или которые еще надлежит решить. Я вспомню несколько из них.

Вспышки. Мы знаем много деталей об этом взрывном процессе выделения энергии в атмосфере Солнца, мы понимаем основные механизмы вспышек, но много деталей отсутствует. Например, мы не можем предусмотреть с высокой вероятностью, когда и где будет вспышка, или насколько она будет мощной.

В стадии дискуссии находится вопрос о причинах высокой температуры короны, это миллионы градусов. Что греет ее? Могут ли волны нагреть верхние слои атмосферы Солнца? Если да, какой тип волн является наиболее эффективным для этого?

Мы еще не умеем прогнозировать солнечную активность заблаговременно, не за несколько часов и дней, а за несколько лет.

И еще мы не можем заблаговременно предусмотреть влияние солнечной активности на биосферу и социально-экономическую систему Земли.