Российские ученые получили уникальные снимки солнечной короны

Космические исследования Солнца ведутся более 50 лет. Уже на втором искусственном спутнике Земли был установлен прибор, который регистрировал рентгеновское коротковолновое излучение. Аппаратура, созданная специалистами лаборатории рентгеновской спектроскопии Солнца Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, позволила впервые получить монохроматические изображения всего солнечного диска и прилегающей короны в рентгеновском диапазоне с высоким пространственным и временным разрешением.

В результате был открыт новый класс горячих плазменных структур, размеры которых варьируют от десяти до сотен тысяч километров, а температура превышает 5 миллионов градусов. Последний спутник проекта Коронас «рассмотрел» практически не изученную область - нижнюю корону Солнца.

Внешний пограничный слой Солнца или фотосфера имеет температуру около шести тысяч градусов. С удалением от поверхности температура начинает падать, приблизительно до четырех тысяч градусов, но затем неожиданно возрастает. В тонком в солнечных масштабах, так называемом переходном слое, где плотность плазмы падает на несколько порядков, температура достигает полутора миллионов градусов.

«Почему корона горячая, мы не знаем. В магнитном поле разных магнитоплазменных структур запасено огромное количество энергии. Объяснение механизма выделения этой энергии и преобразования ее в другие формы (в ускоренные частицы, потоки плазмы, тепло, электромагнитное излучение) - это общая фундаментальная задача астрофизики», - говорит ведущий научный сотрудник отдела спектроскопии ФИАН, доктор физико-математических наук Александр Урнов.

Ответов на многие принципиальные для решения фундаментальных проблем вопросы, связанные как со строением, так и с «жизнедеятельностью» короны, пока нет. Одна из причин - недостаточность необходимых для построения моделей данных о физических характеристиках магнитоплазменных образований (таких как температурный состав, электронная плотность и др.). Для понимания механизмов нагрева короны и явлений солнечной активности требуется существенное увеличение пространственного и временного разрешения исследовательской аппаратуры. Сегодня мы можем видеть объекты величиной порядка секунды дуги в угловой мере, что в линейных размерах на Солнце составляет около тысячи километров. А нужно разрешать объекты почти на порядок меньшего размера.

Сотрудники лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН изучают коротковолновое излучение солнечной короны с 1958 года. Метод «изображающей спектроскопии» (imaging spectroscopy), применяемый при исследованиях Солнца, используется уже более 20 лет для регистрации изображений в узких спектральных интервалах, выделенных специальными фильтрами. Но в этих интервалах оказывается обычно не одна, а несколько линий, формирующихся при разных температурах. Определенный вклад дает и так называемый непрерывный спектр. Все это существенно затрудняет определение температурного состава корональной плазмы.

Сотрудники лаборатории создали уникальный прибор - спектрогелиограф, дающий монохроматическое изображение всего диска Солнца и нижней короны в рентгеновской линии и 160 линиях вакуумного ультрафиолета. Получение такого количества спектральной информации (дополнительно к пространственно-временной) принципиально важно для создания плазменных моделей явлений солнечной активности, помогающих понять механизм их образования и развития.

Три запуска в рамках программы Коронас, несмотря на короткую жизнь спутников, дали много исключительно ценной информации. Впервые получены серии рентгеновских «фотографий» всего Солнца в монохроматической линии с высоким пространственным и временным разрешением. Монохроматические изображения в рентгене еще никто не регистрировал, получали только в ультрафиолете. Но и в ультрафиолете была придумана и реализована своя оригинальная схема. Чтобы линии не перекрывались (из-за большого углового размера Солнца), была разработана конструкция, сочетающее в себе дифракционную решетку и многослойное рентгеновское зеркало. Изображение Солнца сжимается в одном направлении - дисперсии (разложения в спектр), и вместо диска получается «огурец». В этом направлении уменьшается пространственное разрешение, но зато спектрограммы не перекрываются. Это позволяет получить изображения одной и той же активной области Солнца в десятках линий, характеризующихся различными температурами свечения.
«На последнем спутнике Коронас-Фотон, - рассказывает Александр Урнов, - были получены изображения в разных монохроматических лучах не только с высоким пространственным, но и с рекордным временным разрешением. Это позволило увидеть динамику плазменных структур в практически не изученной области - нижней короне. Причем не в рассеянном свете, а в собственном ультрафиолетовом излучении. Изображения в видимом (рассеянном) свете дальней короны, в которых наблюдаются так называемые корональные выбросы масс (КВМ), природа которых остается во многом загадочной, с 1995 года регулярно ведет станция SOHO (совместный проект ЕКА и НАСА). Но при этом приходится делать искусственную луну и закрывать не только диск Солнца, но и нижнюю корону, чтобы приборы не «ослепли» от излучения солнечного диска, которое в десятки и более миллионов раз превышает рассеянный свет. То есть наблюдать можно лишь то, что происходит на расстоянии двух радиусов от Солнца. Именно эту, закрытую искусственной луной область, позволил рассмотреть наш новый прибор - коронограф. Он обладает огромным динамическим диапазоном по измеряемой интенсивности, а это позволяет закрывать только солнечный диск и наблюдать всю корону от границы диска. В результате были получены совершенно уникальные экспериментальные данные».