Праздник для астрономов

Второго июля над территорией Южной Америки можно будет наблюдать полное солнечное затмение. Это не такое уж и редкое событие примечательно тем, что в этом году оно пройдет сразу над несколькими обсерваториями, расположенными в чилийских горах. О том, зачем ученые изучают солнечную корону, как они это делают и какие именно наблюдения планируются в этот раз, по просьбе N + 1 рассказывает Кирилл Масленников, астроном, сотрудник Пулковской обсерватории.

Полные солнечные затмения — не такая уж и редкость, они случаются на Земле почти ежегодно, а бывает, и по два раза в год. Но так как полное затмение видно только в узкой полосе тени шириной около 150-200 километров, падающей каждый раз на разные участки земной поверхности, увидеть его удается относительно немногим — в среднем в данной точке земной поверхности полное затмение можно увидеть примерно раз в 400 лет.

Зрелище это эффектное, и люди, располагающие временем и деньгами, с удовольствием тратят их на «охоту за затмением». Добавляется и чисто спортивный интерес: ведь достаточно небу в нужный момент затянуться тучами — и пропали ваши денежки.

А что же астрономы? Казалось бы, такое заметное астрономическое явление должно вызывать интерес профессионалов. Но оказывается, для астрономов особой пользы в затмении нет.

Когда-то важно было точно определять временные характеристики затмений — в отсутствие надежных стандартов времени это позволяло сравнивать инструментальное время с предвычисленным и вносить нужные поправки в астрономическое время. Теперь точность атомных стандартов частоты намного превосходит точность регистрации фаз затмения, и с этой целью их никто больше не наблюдает.

В 1919 году полное солнечное затмение позволило Артуру Эддингтону (будущему сэру и председателю Королевского астрономического общества), Фрэнку Дайсону и Энди Кроммелину выполнить измерения смещения положений звезд в окрестности солнечного диска и сравнить их с предсказаниями незадолго до того (в 1915 году) опубликованной общей теории относительности Эйнштейна. Измерения подтвердили предсказания ОТО. Этот эксперимент время от времени повторяется и в наши дни, но нового здесь ждать, похоже, не приходится.

Есть, пожалуй, лишь одна серьезная астрономическая задача, которую позволяют решать наблюдения затмений: спектроскопия солнечной короны.

Корона — это очень разреженная (10⁸ частиц на кубический сантиметр вблизи Солнца и около 100 частиц вблизи Земли — то есть, мы, по сути, тоже находимся внутри солнечной короны) околосолнечная область, заполненная очень высокотемпературными (1–2 миллиона кельвинов) электронами и протонами.

Почему энергия частиц в короне так велика, никто точно не знает. И вот как раз спектральные и поляризационные наблюдения корональных линий во время затмения очень интересны с точки зрения деталей физики короны и могут помочь разгадать эту загадку.

Эти линии — запрещенные высокоионизованные линии железа, никеля, кальция, возникающие в самых близких к Солнцу частях короны (в так называемой L-короне). Запрещенными их называют потому, что они связаны с очень маловероятными квантовыми переходами и возникают только из метастабильных состояний, из которых электроны не имеют переходов на более низкие уровни, кроме запрещенных.

В ситуациях, когда атомы могут находиться в метастабильном состоянии очень долго (при низких плотностях излучения и вещества), их накапливается достаточно много, чтобы даже при низкой вероятности перехода запрещенные линии становились достаточно заметными.

По этим линиям и оценивается температура короны, а также плотность электронов и концентрация элементов. Из более высоких слоев (K-корона) идет непрерывное излучение, сильно поляризованное из-за рассеяния; эту поляризацию тоже удобно измерять во время затмения.

Корона очень горячая, но разреженная, и поэтому в обычных условиях ослепительный свет солнечного диска, рассеянный к тому же земной атмосферой, не позволяет ее увидеть. Но 90 лет назад французский астроном Бернар Лио все же придумал способ наблюдать корону, не дожидаясь затмения, — экранировать солнечный диск «искусственной Луной» (то есть устраивать мини-затмение в рамках одного телескопа) и убирать специальной диафрагмой рассеянный свет от дифракции на входном отверстии.

Внезатменные коронографы теперь есть на всех солнечных обсерваториях. Но все же рассеянного света остается еще очень много, и с помощью коронографов можно наблюдать только самые яркие линии в спектрах короны. Поэтому 5-7 минут полной фазы затмения чаще всего используют именно для того, чтобы наблюдать слабые корональные линии при низких шумах.

Затмение 2 июля замечательно в том смысле, что его полоса проходит через астрономический рай — северное Чили с его многочисленными обсерваториями, и в частности через обсерваторию ESO на вершине Ла Силья. За последние 50 лет было всего два таких случая: в 1961 году тень Луны прошла через обсерваторию От-Прованс во Французских Альпах, а в 1991 году — через Мауна Ки на Гавайях.

Кстати, обсерватория Ла Силья, как нарочно, еще и отмечает в нынешнем году 50-летний юбилей. Поэтому Европейская южная обсерватория (ESO) еще год назад объявила, что по такому случаю устроит большой астрономический праздник. Туда съехалась тысяча гостей — в основном, туристов, любителей астрономии и экзотики со всего мира.

ESO объявила о прямой трансляции события со своего сайта — если, конечно, небо не затянет (официальная оценка вероятности ясного неба — 40 процентов). Но кроме просветительской программы в ESO, конечно, планируются и научные наблюдения.

Спектроскопию короны предполагается выполнить на знаменитом NTT — «телескопе новых технологий», на котором в свое время был опробован целый ряд технических нововведений, во многом изменивших привычные методы наблюдений с наземных телескопов. Параллельно будет проводиться фотографирование короны с короткими экспозициями на малом телескопе.

А эксперимент Эддингтона 1919 года будет повторен на новом инструменте обсерватории — установке TAROT (Telescope a Action Rapide pour les Objets Transitoires), быстродействующем специализированном телескопе для наблюдения транзиентных явлений. Этот маленький (с апертурой всего 25 сантиметров) робот-телескоп, вообще-то, предназначен для очень быстрого (в течение нескольких секунд) наведения на свежезарегистрированные гамма-всплески по сигналу с космического гамма-телескопа. Но в данном случае он будет испробован в новом качестве.

Ла Силья лежит ближе к краю полосы полного затмения: полная фаза будет там продолжаться всего около 2 минут. Расположенной буквально на соседней вершине Лас Кампанас обсерватории Института Карнеги повезло еще меньше — она находится у самой границы полной фазы, но уже с ее внешней стороны.

А вот межамериканская обсерватория в Серро Тололо, находящаяся южнее, расположена удобнее. Там по сравнению с Ла Силья, видимо, будет гораздо меньше шума, поэтому и научная программа готовится более насыщенная:

Фотографирование солнечной короны. Этим займется астроном Джей Пасачофф (Jay Pasachoff) — он со своей методикой наблюдал уже 70 полных затмений! С начала 90-х годов Джей Пасачофф измеряет цветовые характеристики, форму и температуру короны, а еще так называемые корональные лучи — петлеобразные области повышенной плотности плазмы, которые образуются в результате взаимодействия плазмы, вытекающей из хромосферы, с магнитным полем Солнца.

Спектроскопические наблюдения короны. Шадья Хаббал (Shadia R. Habbal) из Гавайского университета и ее исследовательская группа с романтическим названием «Шерпы солнечного ветра» (Solar Wind Sherpas) займутся выяснением химического состава, температуры, плотности, нетепловых движений и истечения корональной плазмы, а также будут наблюдать необычные температурные структуры вокруг волокон.

Поляриметрические наблюдения короны. Они включают в себя анализ солнечных магнитных полей в ближнем инфракрасном диапазоне, одновременно с самолета будут вестись спектроскопические наблюдения. Этим займется астроном Пол Брайанс (Paul Bryans).

Измерения изменений температуры земной атмосферы в ходе затмения, в частности в ионосфере. За эту часть исследований отвечает Мигель Серра-Рикарт из Института астрофизики на Канарских островах. Понимание реакции атмосферы Земли на изменения солнечного потока имеет большое значение для предсказаний «космической погоды». Выражение «космическая погода» (space weather) не имеет отношения к климату — это изучение воздействий солнечного ветра, жесткого излучения Солнца и эруптивных явлений в солнечной атмосфере и короне на глобальные технологические структуры, созданные на Земле и в околоземном пространстве человеком.

Зондирование околосолнечных областей короны (малодоступных для космических инструментов) из нескольких точек, разнесенных по ширине полосы полной фазы. Этим займется астроном Йоихиро Ханаока (Yoichiro Hanaoka) из Японии. Это необходимо для того, чтобы как можно дольше наблюдать изменения в короне. Чтобы свести воедино характеристики ее поведения за все время, пока тень Луны путешествует по поверхности Земли, будут использованы даже наблюдения многочисленных любителей астрономии.

Если вы хотите полюбоваться полным солнечным затмением, оставаясь в России, то ждать вам придется довольно долго. Ближайшее произойдет 12 августа 2026 года, но видно его будет только на полуострове Таймыр. Чтобы увидеть следующее, 30 марта 2033, придется отправиться на Чукотку, а потом, 9 апреля 2043 года — на Камчатку. Затмение 20 апреля 2061 года будет видно на Урале, в Нижнем Поволжье и на Северном Кавказе, в сентябре 2072 года — в Сибири, а в апреле 2088 года — снова на Северном Кавказе. В Москве в этом веке видимых полных затмений не будет.

Кирилл Масленников