«Наука в СССР» 1990 №1
| ИДЕТ ЭКСПЕРИМЕНТ |
За последние 20—30 лет у человечества появилась возможность по-новому взглянуть на сферу своего обитания. И произошло это не только в связи с развитием технологии и изменением условий существования на Земле, но и благодаря постоянно расширяющемуся горизонту знаний о нашей планете, Галактике, Вселенной. Создание космических средств привело к пересмотру представлений о них и в том числе о Солнечной системе. По сути, мы живем в эпоху новых "географических" открытий, связанных с ее познанием.
Луне, Марсу и Венере повезло: они оказались относительно доступными. После очень активного периода их изучения в 60-х—начале 70-х годов, завершившегося полетами человека на Луну, заинтересованность в изучении спутника Земли у части специалистов и широкой общественности пропала. Новые возможности постижения более далеких объектов отвлекли внимание космических
Звездные ветры вообще и солнечные в частности — важный фактор, определяющий потерю массы звезд в процессе их эволюции. |
* Под сильными магнитными полями планетологи подразумевают такие поля, которые создают магнитосферу, по размерам значительно превышающую размеры самой планеты (как у Земли и планет-гигантов в отличие, например, от Марса и Венеры). — Прим. ред.
Сегодня мы вчерне знаем особенности "устройства" Солнечной системы, включая две кометы — Джакобини-Цинера и Галлея*. Правда, мы еще не имеем сведений о том, где расположена граница Солнечной системы — гелиосферы. По нынешним оценкам, она находится на расстоянии в 50-100 раз большем, чем расстояние от Земли до Солнца (оно равно астрономической единице или 150 млн км).
Внутренняя часть гелиосферы — ближайшей окрестности Солнца — и есть практически единственная неисследованная область Солнечной системы. Внешняя оболочка звезды — корона — состоит из нагретого примерно до 1,5 млн грая сов ионизованного газа — плазмы. Из-за высокой температуры гравитационное поле Солнца не может ее удержать. Поток горячей плазмы — солнечный ветер — приблизительно радиально растекается и заполняет Солнечную систему со скоростью порядка 500 км/с. Неоднородное магнитное поле Солнца образует в короне различные структуры, Они хорошо видны на фотографиях, полученных во время затмений с помощью космических коронографов (современные наземные средства не позволяют изучать корону постоянно). Вытекающий из различных областей короны солнечный ветер имеет разные характерактеристики — скорость, температуру, плотность, содержание химических элементов.
* См.: Сагдеев Р.З., Балебанов В.М. До встречи с кометой. — Наука в СССР, 1986, № 2; Лапина М.А. Мгновение встречи. — Наука в СССР, 1986, № 5 (прим. ред.).
Во время солнечных вспышек и других нестационарных процессов на поверхности звезды в межпланетную среду с большой скоростью выбрасываются облака плазмы, по которым, как и по короне, проходит мощная ударная волна. Во многих отношениях солнечный ветер ведет себя как жидкость, сплошная среда. Это обусловлено тем, что частицы плазмы взаимодействуют друг с другом через магнитное поле солнечного ветра и микрофлуктуации электрических и магнитных полей, пронизывающих космическое пространство. Переменный характер солнечного ветра, корональные выбросы и ударные волны — мощные факторы воздействия на планеты.
Изучение солнечного ветра уже давно превратилось в отдельное направление исследований, внесшее вклад в физику Солнца, изучение планет и физику плазмы. Но, несмотря на это, мы не знаем, по существу, механизмов нагрева солнечной
 |
*Радиус Солнца — 696 тыс. км (прим. ред.).
Ближе всего к Солнцу подлетали западногерманские межпланетные зонды "Гелиос-1" и "Гелиос-2" — до 60 радиусов Солнца (около 0,3 астрономической единицы). Это дало возможность значительно расширить наши представления о солнечном ветре, но не позволило проникнуть достаточно глубоко, чтобы "пощупать" область его генерации.
Солнечный ветер не считается явлением исключительным. И у других звезд есть короны — источники звездного ветра. Звездные ветры вообще и солнечный в частности — очень интересны не только сами по себе. Это важный фактор, определяющий потерю массы и момент вращения звезд в процессе их эволюции, что имеет фундаментальное астрофизическое значение. С помощью существующих дистанционных методов ответить на вопрос о потере массы и моменте вращения невозможно. Поэтому изучение короны и солнечного ветра "на месте" — одна из важнейших задач современных космических исследований. Кроме того, полет к Солнцу позволит решать, по меньшей мере, еще два класса важнейших научных задач. Один из них связан с изучением гравитационного поля Солнца и проверкой некоторых положений общей теории относительности. В разработанных моделях Солнца и звезд есть ряд неизвестных параметров, к примеру скорость вращения внутренних областей, величина магнитного поля и др. Они существенно влияют на представления о структуре звезд и, следовательно, на предсказание таких важных величин, как поток нейтрино от Солнца (в настоящее время результаты проведенных экспериментов значительно расходятся с предсказаниями теории). Новые сведения дали бы важный материал для построения более реалистических моделей. Эксперименты, позволяющие получить эти данные, могут быть выполнены при пролете космического аппарата вблизи Солнца, причем наблюдаемые эффекты будут проявляться тем сильнее, чем ближе аппарат подлетит к звезде. Фактически речь идет о точных измерениях параметров движения космического аппарата в гравитационном поле Солнца.
Другой круг задач — наблюдения Солнца с высоким пространственным разрешением. Данные, которыми мы располагаем сегодня, свидетельствуют: микроструктура его атмосферы имеет линейные масштабы порядка нескольких десятков километров. Без наблюдений с таким (или лучшим) разрешением не удастся оценить, насколько точны физические характеристики солнечной атмосферы (фотосферы и хромосферы), понять роль мелкоструктурных образований в протекании некоторых процессов, в особенности роль перемешивания вещества, магнитных полей, выбросов энергии, нагрева короны.
В результате гравитационного маневра вблизи Юпитера зонд приблизится к Солнцу на расстояние в 7 солнечных радиусов (от центра звезды). Продолжительность сближения — примерно 16 часов. А вся экспедиция будет длиться почти 4 года. Возможно, так будет выглядеть солнечный зонд.  |
Подготавливаемые в настоящее время проекты по исследованию ближайшей звезды с околоземных орбит не в состоянии обеспечить пространственное разрешение на ее поверхности лучше 100 км. С помощью аппаратуры, установленной на зонде, при пролете его вблизи Солнца можно было бы добиться в 10 раз лучшего разрешения. Кроме того, диагностика Солнца в различных диапазонах — рентгеновском, ультрафиолетовом и видимом — исключительно важна для изучения короны и области генерации солнечного ветра как таковых; она поможет увязать результаты прямых измерений характеристик короны, полученных с борта зонда, с расчетными структурными параметрами, а их, в свою очередь, — с фотосферными и хромосферными образованиями. При этом стоит учитывать, что из "картинок", сделанных при пролете вблизи Солнца, будет составлена стереоскопическая трехмерная панорама структурных образований.
Необходимость проведения исследований Солнца с близких расстояний сомнений у специалистов не вызывает. В США разработка научных и технических вопросов, связанных с запуском солнечного зонда, ведется с 1978 г., хотя НАСА пока не включило этот проект в конкретные планы, В СССР в течение нескольких последних лет также рассматривается возможность реализации такой программы. Соответствующие работы начало и Европейское космическое агентство. Ученые СССР и США обсуждают перспективу сотрудничества в этой области.
Во время Международного космического форума, состоявшегося в октябре 1987 г. в Москве в связи с 30-летием запуска первого искусственного спутника Земли, специалисты подчеркнули: изучение ближайших окрестностей Солнца — одна из важнейших задач космических исследований, Ясно, что программа полетов к единственной доступной нам звезде должна быть последовательной и объединять усилия многих стран. Тут одним зондом не обойтись; первая экспедиция может привести к совершенно неожиданным результатам.
Существующие средства вывода космических аппаратов не позволяют непосредственно доставить их с Земли в ближайшие окрестности Солнца — ракеты недостаточно мощны. Испытанным и пока единственным средством вывода зонда в произвольную точку Солнечной системы является гравитационный маневр вблизи Юпитера: поле тяготения планеты настолько сильно, что, прицельно направив к ней аппарат, можно изменить его вектор скорости так, чтобы зонд либо покинул плоскость эклиптики, либо полетел к Солнцу или пролетел вблизи него. Есть и более экзотические варианты движения солнечного зонда — например, добавив еще один пролет мимо Земли, направить аппарат к Юпитеру и затем к Солнцу. При реализации такого проекта упрощаются требования к ракете-носителю, но сама экспедиция продлится гораздо дольше. А по оптимальным оценкам, и так понадобится от трех до пяти лет с момента старта до пролета вблизи Солнца.
Таким образом, стоит задача создания специализированного космического аппарата. Он должен отличаться высокой надежностью (действовать в течение нескольких лет), выдерживать пребывание за орбитой Марса, т.е. в дальнем космосе, где поток излучения Солнца в десятки раз меньше, чем на нашей планете, а также вблизи Солнца, где поток энергии в сотни раз превышает существующий на орбите Земли, работать при больших потоках заряженных частиц высокой энергии в магнитосфере Юпитера, обеспечить достаточно комфортные условия для научной аппаратуры и передачи информации из ближайших окрестностей Солнца на Землю. Задачи непростые, хотя непреодолимых препятствий для их реализации нет.
В нашей стране небольшая группа научных работников и инженеров ведет подготовку программы солнечного зонда. Их активно поддерживает Академия наук СССР, а также отдельные руководители промышленности, однако пока не удалось широко развернуть работы по созданию космического аппарата, способного длительно функционировать в условиях дальнего космоса. В последнее время большой интерес к исследованиям ближайших окрестностей Солнца проявляют и специалисты ведущих учебных институтов, таких, как Московский авиационный институт, Московское высшее техническое училище им. Н.Э. Баумана, Московский государственный университет и др. Подключение больших потенциалов научной и технической мысли может ускорить реализацию программы, но без должного участия промышленности на успех рассчитывать не приходится.
Программа по изучению Солнца рассматривалась в различных институтах АН СССР и других научных организациях, обсуждалась в Совете АН СССР по Солнечной системе. Было рекомендовано продолжать работы по солнечному зонду, и дело теперь за выполнением рекомендации. Основными объектами внимания при первом полете на расстоянии в несколько солнечных радиусов должны быть корона и области генерации солнечного ветра. Исследования поверхности звезды, излучения солнечной короны также станут частью научной программы, которую предстоит выполнить с помощью первого зонда. Изучение гравитационного поля Солнца и проверка теории относительности требуют разработки весьма сложной аппаратуры и значительного совершенствования космического аппарата, По нашему мнению, это задачи второго этапа. В частности, надо создать компактный высокоточный бортовой стандарт времени, установить на космическом аппарате пробную массу, на которую действуют только гравитационные силы. В то же время, как отмечалось на первой советско-американской встрече по выработке совместной программы в солнечно-земной физике, согласованный полет двух солнечных зондов, например советского и американского, позволит провести гравитационный эксперимент более простыми средствами.
Трудно переоценить научное и познавательное значение первого полета к Солнцу. Задача нынешнего поколения инженеров и исследователей — воплотить планы и намерения в жизнь.
А. А. ГАЛЕЕВ,
член-корреспондент АН СССР,
директор Института космических
исследований АН СССР
О.Л. ВАЙСБЕРГ,
доктор физико-математических наук,
заведующий лабораторией того же
института
В.М. КОВТУНЕНКО,
член-корреспондент АН СССР,
научный руководитель Научно-
испытательного центра
им. Г.Н. Бабакина
Н.А. МОРОЗОВ,
ведущий конструктор того же
Центра
Рис. Е. Тенчуриной