Полное затмение

В этот понедельник, 21 августа, Америка готовится наблюдать полное солнечное затмение. Это, в общем, достаточно частое в масштабах планеты событие вызвало в США сильный ажиотаж и неудивительно: 70 процентов планеты покрыто водой, а часть суши почти не заселена, так что многим людям в течение жизни всего пару раз выпадает шанс увидеть такое замечательное явление. В этой статье мы расскажем про наиболее интересные научные проекты, которые будут проводиться в этот понедельник в связи с затмением.

Если в древние времена полные солнечные затмения, предсказанные жрецами, использовались для подтверждения их божественной власти, то в XX веке их стали использовать для блага науки. Так, наблюдения, проведенные во время полного солнечного затмения 1919 года, стали первым экспериментальным доказательством Общей теории относительности Эйнштейна — это та самая знаменитая экспедиция сэра Артура Эддингтона в Западную Африку. В США затмение 21 августа, которое пройдет по территории 14 штатов, собираются наблюдать несколько миллионов человек (еще бы — следующего такого события ждать целых семь лет), и среди них будет множество ученых, которые собираются с толком провести время, в течение которого тень от Луны будет закрывать территорию Америки. По такому случаю НАСА запустило специальный сайт и будет вести прямую трансляцию.

Часть экспериментов будет направлена на изучение влияния Солнца и затмений на Землю. Фил Эриксон из MIT, к примеру, пустит в ход шесть тысяч датчиков, расположенных на пути затмения, чтобы проследить за кратковременным изменением ионосферы Земли. Кроме этого, различные группы ученых будут замерять изменение солнечной радиации, температуры, влажности и ветров как у поверхности Земли, так и в ее атмосфере с помощью метеозондов. Эти зонды примут участие и в сопутствующем эксперименте — к ним прикреплены бирки, на поверхности которых находятся высушенные бактерии, обнаруженные рядом с Космическим центром имени Кеннеди и, возможно, попавшие вместе с марсоходами на Марс. Цель этого эксперимента — выяснить, могут ли бактерии выжить на Марсе (верхние слои нашей атмосферы по своим условиям напоминают поверхность этой планеты). Если они выживут, то при создании будущих аппаратов, нацеленных на Марс, придется уделять намного больше внимания бактериологической безопасности — очень глупо будет обнаружить жизнь на Марсе, а потом понять, что это мы сами ее туда занесли.

Основная масса наблюдателей, конечно же, ставит своей задачей изучение Солнца и особенно солнечной короны. Так, совместный эксперимент двух ученых из Высокогорной лаборатории, Филиппа Джаджа и Пола Брайанса, заключается в одновременном наблюдении за солнечной короной с помощью поляриметра и спектрометра, работающего в инфракрасном диапазоне. Спектрометр будет наблюдать за отдельными участками ИК-спектра, а высокое разрешение поляриметра позволит установить, какая именно область короны ответственна за его появление. Это должно помочь нам лучше понять строение магнитного поля Солнца, которое отвечает, в том числе, за космическую погоду и непосредственно влияет на работу всех спутников на орбите Земли.

Астрофизик Нэт Гопалсвоми из центра космических полетов имени Годдарда собирается продолжить свой эксперимент, начатый во время прошлогоднего солнечного затмения в Индонезии, и будет следить за температурой и скоростью движения корональных выбросов в четырех различных фильтрах с помощью нового скоростного коронографа. Это не только проверка возможностей нового прибора, но и потенциально большой вклад в изучение движения солнечного ветра. Группа собирается следить за электронами как вблизи поверхности Солнца, так и на расстоянии пяти миллионов километров от него, чтобы по их поведению построить общую картину движения солнечного ветра.

Амир Каспи из Юго-Западного исследовательского института штата Колорадо не собирается просто сидеть и ждать затмения — он установил по телескопу на носу двух самолетов WB-57 и планирует лететь вслед за тенью Луны. Его личное затмение продлится более 7 минут, в течение которых высокоскоростные камеры будут делать по 30 кадров солнечной короны в секунду. Такая скорость нужна для поиска нановспышек — гипотетических переносчиков энергии с поверхности Солнца к короне. Если все пойдет по плану, то Каспи будет первым, кто составит тепловую карту Меркурия, первой планеты от Солнца. Меркурий очень сложно наблюдать, так как он почти полностью затмевается Солнцем, поэтому новые снимки помогут нам больше узнать об атмосфере этой планеты.

Один из самых интересных экспериментов, названный Citizen CATE, использует преимущества, связанные с движением лунной тени по всему североамериканскому материку. На линии максимальной длительности затмения, тянущейся от побережья Тихого океана в штате Орегон до побережья Атлантического океана в штате Южная Каролина, установлены 68 одинаковых телескопов. Каждый из них способен сделать около тысячи снимков во время полного затмения, которое для него будет длиться 2 минуты 40 секунд. Сложенные вместе, эти снимки дадут непревзойденное по времени «суммарное» затмение — 90 минут. Это очень полезно для изучения атмосферы Солнца. В проекте участвуют как профессиональные астрономы, так и студенты вузов, и любители, и даже школьники — любой человек мог подать заявку на участие и, успешно пройдя ряд тестов, получить по почте телескоп, монтировку, программное обеспечение и целый набор инструкций. Ключевой момент эксперимента — идентичность всех настроек и параметров съемки, так что участникам несколько раз устраивали тренинги, заставляя их делать тестовые снимки и проверяя согласованность их действий

А что именно представляет собой атмосфера Солнца?

Ее можно разделить на три области — фотосферу, хромосферу и корону. Фотосфера — это наиболее плотная область с температурой примерно 5000 кельвин, фактически поверхность Солнца. Почти весь свет, доходящий до нас, испускает именно фотосфера. Ее толщина составляет несколько сотен километров, она постоянно бурлит и, как и положено атмосфере, постоянно вращается — экваториальная часть делает полный оборот за 24 дня, на полюсах — за месяц.

Хромосфера заметно более разрежена и из-за этого намного тусклее фотосферы. Увидеть хромосферу можно только во время полного солнечного затмения — он выглядит как тонкий слой красного света между фотосферой и короной. Красный свет появляется от того, что температура падает и электроны атомов водорода спускаются на более низкие энергетические уровни. Один из самых популярных «переходов» — с третьего на второй уровень — называется H-альфа и соответствует длине волны 652 нанометра, а это как раз красный свет. Температура хромосферы, как это ни странно, не понижается с удалением от Солнца. Наоборот, она сначала опускается до минимальных 3800 кельвин, а потом начинает стремительно расти, достигая 35000 кельвин на границе с короной. Физические механизмы, которые отвечают за подобный феномен, до конца не определены, но важную, если не основную роль тут играет магнитное пересоединение — эффект, при котором сталкиваются магнитные поля противоположной направленности. Они быстро перестраиваются, частично уничтожая друг друга, и при этом высвобождается энергия, которая нагревает хромосферу.

Последняя, самая дальняя, но и самая горячая область Солнца — это корона, ее температура может достигать нескольких миллионов градусов. Примечательно, что обнаружили это только в 1939 году, когда шведский ученый Бенгт Эдлен доказал, что одна из спектральных линий, которую долго приписывали мистическому элементу корониуму, на самом деле принадлежит сильно ионизованному железу. Расчеты показали, что оторвать так много электронов от очень энергетически стабильного железа можно только при температурах, превышающих миллион кельвин. Этого сложно было ожидать, но дальнейшие наблюдения подтвердили, что температура короны действительно феноменально высока и в небольших областях может достигать двадцати миллионов градусов, что даже больше, чем температура ядра, где идут термоядерные реакции. Астрономы склоняются к мысли, что одно магнитное пересоединение не может разогреть корону до таких температур и скорее всего в процесс вовлечены какие-то другие физические механизмы.

Вообще говоря, надо немного разобраться с терминологией: Солнце изучают с помощью солнечных телескопов, а солнечную корону — с помощью коронографов. Главная деталь солнечного телескопа — это фильтр, который отражает бóльшую часть солнечного света (иначе телескоп перегреется и расплавится) и пропускает только узкий спектральный диапазон, например только свет нейтрального водорода или излучение атомов кальция. Коронограф же — это телескоп специальной конструкции, в котором свет от поверхности Солнца полностью блокируется и не доходит до линз. Это позволяет изучать свет, который приходит не с поверхности, а из атмосферы Солнца. Коронографы, установленные, например, в Саянской солнечной обсерватории или Крымской астрофизической обсерватории, помогают изучать Солнце с 1931 года, когда французский астроном Бернар Лио предложил ряд усовершенствований, названных его именем — например диафрагму Лио. Многие телескопы при установке дополнительного оборудования могут работать и в режиме коронографа. И да — тот самый телескоп Джеймса Уэбба, который запустят в 2018 году и который должен прийти на смену телескопа Хаббла, будет способен работать как коронограф — ждите потрясающие снимки через год!

Ключевой вопрос: зачем тогда нам нужно затмение, если мы можем наблюдать солнечную корону в любой ясный день?

Дело в том, что обычно солнечный свет сильно рассеивается в атмосфере — более двух третей света, что мы видим, достигают Земли не в виде луча света от Солнца, а в виде диффузного излучения. Именно оно повинно в том, что днем не видно ни звезд, ни Луны, а небо синее. И разглядеть корону, мощность излучения которой в миллион раз меньше излучения с поверхности Солнца, очень трудно даже в самый хороший коронограф. Луна будет блокировать солнечный свет еще до того, как он достигнет атмосферы Земли, и интенсивность диффузного излучения заметно снизится — в 10 тысяч раз (говоря простым языком, небо станет темнее). Оба эти фактора, сложенные вместе — темное небо и загороженное Луной Солнце над головой — позволят невеликим по размерам телескопам увидеть то, что не под силу и самым большим коронографам.

Это удивительно, но данные, которые ученые получат с телескопов проекта Citizen CATE с размерами главной линзы всего 8 сантиметров, будут по некотором параметрам превосходить снимки космических солнечных телескопов, таких как SOHO или STEREO. Это можно объяснить тем, что все космические телескопы сильно ограничены по весу и размерам, поэтому, хоть им и не приходится бороться с диффузным излучением, они не могут нести дополнительную защиту от постороннего (паразитного) света, который в любом случае попадает в объектив. Кроме того, заглушка, которая блокирует свет с поверхности Солнца, обычно расположена слишком близко к основной линзе (именно из-за ограничений по размерам), и это приводит к появлению дифракции Френеля: концентрическим темным и светлым полосам, которые заметно искажают изображение короны. Поскольку в случае солнечного затмения роль заглушки берет на себя Луна, которая, во-первых, очень далеко, а во-вторых, расположена перед линзой телескопа, то условий для дифракции не будет и картина короны должна получиться очень четкой. В интернете выложена крайне содержательная лекция про оптические схемы, которые используют для изучения солнечной короны (в том числе при солнечном затмении).

Важно понимать, что нижняя часть короны — это ключевая область для изучения процессов, идущих как в атмосфере, так и в глубине Солнца. Эта область очень горяча, но и сильно разрежена, так что ее свет полностью теряется на фоне света от фотосферы звезды, и рассмотреть его можно как раз во время полного солнечного затмения. Недаром НАСА проводит или частично спонсирует 11 различных наземных экспериментов, шесть из которых посвящены изучению именно короны.

Тысячи фотографий телескопов Citizen CATE помогут составить двухмерную карту распределения электронов в нижней части короны с разрешением около двух угловых секунд. То есть телескопы будут способны заметить детали размерами всего в полторы тысячи километров (диаметр Солнца, к примеру, равен 1,4 миллиона километров). Это распределение будет отправной точкой при моделировании строения солнечной атмосферы со всеми ее странностями и интересными эффектами. Кроме того, по этим фотографиям можно будет изучить строение и движение полярных перьев — тонких структур, выходящих из солнечных полюсов со скоростью 100 километров в секунду и тянущихся на десять миллионов километров

В заключение хочется опровергнуть довольно распространенное мнение о том, что размеры Луны и Солнца как-то по-особенному связаны между собой и поэтому во время затмения Луна удивительно точно перекрывает все Солнце. На самом деле и Земля и Луна вращаются по эллиптическим орбитам, поэтому расстояние между всеми тремя небесными объектами может заметно меняться. Расстояние от Луны до нас может меняться на 11 процентов, то есть примерно на 39 тысяч километров. Это приводит к тому, что иногда Луна не может перекрыть Солнце полностью даже во время полного солнечного затмения, а иногда перекрывает даже с небольшим запасом (и блокирует свет от внутренней короны, которую так любят изучать солнечные астрономы).

P.S. В России ближайшее полное затмение состоится 20 апреля 2061 года. Это еще не скоро, но зато оно покроет почти всю европейскую территорию страны от Печорского до Азовского моря.