Миссия «Коснуться Солнца» с самым быстрым в истории космическим аппаратом

Из Нью-Йорка в Токио менее чем за минуту, — с такой скоростью полетит к Солнцу миссия NASA.

Разработанный для изучения солнечной атмосферы, солнечный зонд Parker (Parker Solar Probe) будет приближаться к поверхности светила быстрее, чем любой другой космический корабль, созданный человеком ранее. Всё будет очень быстро нагреваться.

Солнечный ветер

В отличие от температуры поверхности Солнца, которая составляет ~6000 градусов Цельсия, ее внешняя атмосфера (корона) на самом деле нагревается до миллионов градусов. И мы точно не знаем почему. Такие высокие температуры приводят к выделению из короны высокоэнергетических заряженных частиц (электронов, протонов, альфа-частиц), которые в совокупности называют солнечным ветром.

Заряженные частицы солнечного ветра с высокими скоростями выносят магнитное поле Солнца наружу в Солнечную систему. По мере вращения Солнца его магнитное поле закручивается в спираль, воздействуя на высвобождение заряженных частиц аналогичным образом. Таким образом, магнитное поле Солнца выплескивается наружу в Солнечную систему в виде спирали Архимеда.

Магнитное поле Солнца вращается по спирали, что является следствием вращения Солнца и его влияния на солнечный ветер. Источник: WSO Stanford

Когда заряженные частицы солнечного ветра приближаются к Земле, они сначала попадают в магнитосферу нашей планеты, область, где доминирует земное магнитное поле. Солнечный ветер разрушает магнитосферу Земли, сжимая ее на дневной и расширяя на ночной стороне. Таким образом, магнитосфера Земли формируется солнечным ветром.

Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли порождает большую энергию, воздействующую на Землю, что приводит к широкомасштабным изменениям её атмосферы. Одним из лучших эффектов такого взаимодействия являются красивые полярные сияния.

Солнечный ветер, взаимодействующий с магнитосферой Земли. Рисунок, размеры не в масштабе. Белые линии — солнечный ветер, фиолетовая линия — граница ударной линии, синие линии — магнитосфера Земли. Источник: Википедия

Солнечные бури и их воздействие на Землю

Солнечный ветер часто несет в себе выбрасываемые из Солнца высокоэнергетичные магнитные бури, называемые солнечными вспышками, а иногда и более энергетичными, называемыми корональными выбросами массы. Энергия, высвобожденная этими мощными магнитными штормами, эквивалентна миллионам водородных бомб.

Корональный выброс массы в действии. Источник: Википедия

Когда эти бури достигают Земли, они могут иметь серьезные последствия, несмотря на защитное магнитное поле нашей планеты. Солнечные бури 1859, 1882 и 1921 годов привели к тому, что телеграфные службы прекратили работать, происходили пожары, а в некоторых случаях даже удары током операторов телеграфа. Во время солнечной бури в 1960 году произошло широкомасштабное нарушение радиосвязи.

Последствия массовых солнечных бурь на Земле сегодня были бы гораздо более разрушительными. Солнечный шторм, такой как в 1859 году, может вызвать много проблем:

Нарушить основные электрические системы на Земле, вызывая во всем мире отключение электроэнергии в течение недель, месяцев или даже лет.
Нанести физический ущерб нашим спутникам, вызвав их неисправность или поломку.
Разрушить инфраструктуры связи, включая спутники GPS.
Космонавты получат смертельные дозы излучения. Это серьезная проблема для будущих космонавтов на Марсе или Луне, где практически нет защиты от этих опасных штормов.

Почему мы должны лучше понимать Солнце

В обществе, все более зависимом от технологий, было бы глупо не понимать погодные закономерности от Солнца, его влияние на Землю и соответственно выстраивать нашу инфраструктуру. Мы бы не стали разумными существами, если бы проигнорировали самый важный фактор, влияющий на Землю и жизнь на ней.

Было бы также глупо не пытаться понять любопытную природу Солнца и звезд, подобных ему.

Почему корона внешней атмосферы Солнца намного более горячая (миллионы градусов Цельсия!), чем ее поверхность (~6000 градусов)?
Какие механизмы приводят к таким высокоэнергетическим частицам с высокими скоростями в солнечном ветре?
Какова структура магнитного поля в короне? Как эти поля ведут себя, чтобы все это возникло?

Отвечая на подобные вопросы и многие другие, мы становимся людьми.

Солнечный зонд Parker — самый быстрый космический корабль в истории

Чтобы ответить на эти вопросы, в следующем году будет запущен солнечный зонд Parker. Запуск запланирован на 31 июля 2018 года на самой мощной ракете-носителе Delta IV Heavy. Солнечный зонд Parker станет самым быстрым космическим аппаратом, побив рекорды межпланетной станции «Новые горизонты» (New Horizons).

Старт ракеты-носителя A Delta IV Heavy.

Солнечный зонд Parker будет использовать несколько гравитационных воздействий от Венеры, чтобы постепенно уменьшить свою орбиту вокруг Солнца. В 2024 году солнечный зонд Parker пролетит ближе всего к Солнцу, всего в 6 миллионах километров от его поверхности. Это примерно в 9 раз ближе к Солнцу, чем Меркурий.

Траектория движения Parker Solar Probe к Солнцу. Источник: Википедия

При таком ближайшем приближении солнечный зонд Parker будет самым быстрым космическим аппаратом, независимо от того, как вы измеряете его скорость. На своем пике зонд будет лететь со скоростью 700 000 км/час (более 190 км/сек), что страшно даже представить. С такой скоростью можно перелететь из Нью-Йорка в Токио за минуту, а с Земли на Луну за полчаса. Фантастика!

Лицом к интенсивному жару и излучению Солнца

Быть настолько близким к Солнцу означает подвергаться воздействию его интенсивному жару и излучению. Фактически, космический корабль полетит в корону, где температура составляет порядка миллиона градусов Цельсия. Не смотря на то, что корона имеет очень низкую плотность, большая часть тепла, с которым столкнется космический аппарат, будет исходить от прямого солнечного света, который будет достаточно горячим, примерно 1400 градусов Цельсия.

Видимый размер Солнца с солнечного зонда Parker(слева) в сравнении с Солнцем, как его видно с Земли (справа). Источник: Википедия

Чтобы защитить космический аппарат от этого жара, в качестве щита будет использоваться специальный армированный углеродно-углеродный композит, такой же, как на носовой части «Спейс шаттла» (Space Shuttle). Тепловой щит толщиной 4,5 дюйма позволит удерживать температуру научных приборов космического корабля в комфортных 20 градусах Цельсия и они смогут нормально работать. Щит также поможет защитить приборы космического корабля от сумасшедших уровней излучения, которые примерно в 500 раз выше, чем здесь, на Земле.

Наука

С такой высококачественной техникой, которая помогает космическому аппарату работать в короне Солнца, ожидается, что на многие из вышеперечисленных вопросов будет дан ответ, а также:

Определена структура и динамика магнитных полей в короне, которые приводят к солнечному ветру.
Исследован поток энергии, которая нагревает корону и, следовательно, получен ответ, почему она намного горячее, чем поверхность Солнца.
Поскольку космический корабль будет находиться в районе, в котором частицы солнечного ветра разгоняются от дозвуковых до сверхзвуковых скоростей, он может определить механизмы, с помощью которых частицы получают такие высокие энергии.

Источник: A mission to touch the Sun, with the fastest spacecraft in history