Корона Рапа-Нуи

Что и где наблюдать?

11 июля 2010 года состоялось очередное полное солнечное затмение. Полоса, вдоль которой пробежала по нашей планете тень Луны, протянулась почти на 11 тысяч километров через гигантскую акваторию Тихого океана. Астрономы – профессионалы и любители, традиционно выполняющие наблюдения астрономических явлений, впали в задумчивость.

Где наблюдать? Конец полосы падал на Южную Америку. Здесь, в Аргентине, можно было увидеть затмение – но только совсем низко над водой. Наблюдения над горизонтом (сквозь мощную толщу земной атмосферы) мало что могут дать для науки – разве что экзотический пейзаж (натюрморт с затмением).

Полоса проходила через множество мелких островов – но они были необитаемы.

Единственный вариант – некоторые острова Французской Полинезии и остров Пасхи.

Именно на остров Пасхи и собрались ехать астрономы из Иркутска. Заявку на экспедицию подал в Сибирское отделение РАН отметивший в нынешнем году свое 50-летие иркутский Институт солнечно-земной физики СО РАН. Заявка была поддержана. Двое сотрудников ИСЗФ СО РАН – Ольга Ожогина и Сергей Язев – начали подготовку к поездке.

Программа

План единственной российской экспедиции предусматривал работу на острове Пасхи – самом удаленном от любого континента обитаемом острове мира. Добираться туда предстояло посредством пяти перелетов – через два океана, по трассе Иркутск – Москва – Амстердам – Лима – Сантъяго – остров Пасхи. Общая протяженность маршрута (туда и обратно) приближалась к пятидесяти тысячам километров.

Что планировалось выполнить?

Во-первых, предполагалось получить так называемый спектр вспышки. Когда Солнце скрывается за Луной, в течение нескольких секунд виден светящийся красноватый серпик: это сияет средний слой атмосферы Солнца – хромосфера. В ИСЗФ был разработан эксперимент по съемке спектра хромосферы. Для этого был подготовлен прибор, включавший в себя дифракционную решетку, разлагающую солнечный свет в спектр, мощный объектив и цифровую фотокамеру.

Фотографировать спектр вспышки всегда очень сложно: хромосфера видна всего несколько секунд, и всегда есть риск не успеть.

Во-вторых, планировалось получить серию спектров более высоких слоев солнечной атмосферы – короны. Для этого использовался портативный спектрограф, который на время экспедиции пришлось временно снять с большого инфракрасного телескопа Саянской обсерватории ИСЗФ.

Корона Солнца очень неоднородна и динамична: там есть быстро изменяющие свои параметры сгущения и разрежения, области сильных и ослабленных магнитных полей. Структура короны чрезвычайно сложна. Задача получения спектров короны в разных областях – в пределах так называемых корональных стримеров и за их пределами, на разных высотах над лимбом Солнца – была разработана под руководством доктора физико-математических наук Раисы Бенционовны Теплицкой. Член научной группы Ольга Ожогина должна была выполнить сложные высококвалифицированные съемки.

Спектральный анализ – краеугольный камень астрофизики: именно спектры несут в себе информацию о физических условиях на небесных телах.

Поэтому так ценны спектры, полученные в короткие минуты солнечных затмений. В частности, Р. Б. Теплицкой была предложена задача изучения поведения спектральной линии девятикратно ионизованного аргона в зависимости от высоты над поверхностью Солнца и нахождения внутри (либо вне) грандиозных структурных образований в короне – корональных стримеров. Указанная линия аргона Ar X отличается аномальностью поведения, на что указывал еще выдающийся отечественный астрофизик Иосиф Самуилович Шкловский. Успешные спектральные наблюдения могли бы дать новые данные для изучения так называемого FIP-эффекта – во многом еще загадочного явления, заключающегося в том, что содержание ионов некоторых химических элементов в короне в несколько раз превышает их содержание в нижних слоях солнечной атмосферы (фотосфере). При этом эффект касается только тех элементов, которые обладают сравнительно низким (меньше 10 эВ) первым потенциалом ионизации (FIP). Элементы с высоким первым потенциалом ионизации таким свойством не обладают. Спектральные наблюдения во время затмения могли бы оказаться очень полезными для выяснения механизма FIP-эффекта.

В-третьих, большой интерес представляла форма солнечной короны. Опыт многолетних наблюдений показывает, что она всегда разная.

Важно, что общепринятые представления о связи формы короны с фазой цикла солнечной активности, судя по трем последним затмениям 2006–2009 годов, оказались, мягко говоря, не совсем верными: конфигурация короны всякий раз оказывалась неожиданной.

Тем интереснее было определить морфологические параметры короны на стадии роста начавшегося, наконец, после долгой задержки, нового цикла солнечной активности. Эта работа проводилась в рамках специального проекта Российского фонда фундаментальных исследований, который выполняется совместно сотрудниками астрономической обсерватории ИГУ и ИСЗФ, а также их монгольскими коллегами.

Отвлекаясь от рассказа о нашей экспедиции, замечу, что в интернете по ее поводу появилось множество комментариев самого разного толка.

В частности, скрывающиеся под различными никами авторы лихо писали: дескать, нет никакого смысла в наблюдениях затмений в наше время, дескать, ежесекундно можно получать снимки короны со спутников, а это значит, что участники экспедиций просто тратят бюджетные деньги на личные экзотические путешествия, прикрываясь рассуждениями о высокой научной значимости таких наблюдений, тогда как на самом деле эти наблюдения никому не нужны.

Телескоп Хаббла дает куда более качественные снимки, чем небольшие наземные инструменты, тем более смотрящие сквозь толщу земной атмосферы. Кроме того, корону наблюдали уже многие десятки раз – зачем тратить деньги на повторные измерения?

Увы, это как раз тот случай, когда хотелось сказать сетевым троллям: не знаешь – узнай, а пока не разобрался, не выставляй себя на посмешище своими неквалифицированными суждениями.

Телескоп Хаббла и прочие подобные инструменты никогда не разворачивают в сторону Солнца. Чувствительные матрицы, рассчитанные на восприятие крайне слабых источников света во Вселенной, в доли секунды сгорят от мощного солнечного излучения.

Что касается бортовых коронографов на солнечных космических аппаратах – скажем, знаменитом SOHO, который уже два десятилетия следит за нашим светилом, – то изображения короны там получаются не в интегральном (белом) свете, а в ультрафиолете. В белом свете диск Солнца вместе с нижней короной всегда закрыт непрозрачным диском (иначе сгорит матрица). В итоге получается, что нижняя корона в белом свете по-прежнему видна только и исключительно во время затмений: на бортовых коронографах она не видна никогда. Другими словами, диапазон высот от 1,15 до 2,00 радиуса Солнца над фотосферой практически невозможно наблюдать никогда, кроме как в короткие минуты затмений.

Что касается денег, то ясно, что любая экспедиция в любую точку земного шара обойдется куда дешевле, чем размещение специального коронографа в космосе. Тем более что нижнюю часть короны на нем все равно не увидеть. Зато разрешающая способность наземной техники может быть гораздо выше, чем на небольших бортовых коронографах.

Если же говорить о том, что корону уже наблюдали раньше и нет смысла ее фотографировать снова, то это рассуждение сродни заявлению, что книги не надо покупать, потому что в доме уже есть одна.

Дело в том, что корона все время меняется. Ее структура, определяемая состоянием солнечной активности в данный момент времени, в целом зависит от фазы 11-летнего цикла солнечной активности. Эта зависимость, открытая более ста лет назад русским астрономом А. П. Ганским, оказалась не совсем точной. Во всяком случае, форма короны в 2006, 2008 и 2009 годах выглядела аномально. Судя по всему, это было связано с неожиданно затянувшимся минимумом солнечной активности в 2006–2009 годах. Наша научная группа совместно с монгольскими гелиофизиками изучает вопрос о более точной связи формы короны с фазой цикла активности. Нам катастрофически не хватает данных! Ведь за последние сто лет было лишь несколько десятков затмений, а фотографирование короны началось сравнительно недавно – примерно 140 лет назад. Поэтому изображение каждого затмения на вес золота… Кроме того, накапливаются данные о том, что, возможно, форма корона подчиняется еще и другому циклу – вековому. Поэтому длинный ряд однородных данных крайне важен, и с каждый новым затмением он становится все более ценным.

Надо заметить, что из наблюдений короны можно (умеючи) «выжать» целый ряд параметров короны. Недавно это продемонстрировал наш коллега по иркутскому Институту солнечно-земной физики СО РАН, доктор физ.-мат. наук Виктор Файнштейн.

Его работу по определению физических параметров короны на базе поляризационных съемок затмения 2008 года в Новосибирске можно назвать изящной и даже виртуозной.

По поляризационным наблюдениям, выполненным Виктором Пещеровым в Новосибирске в 2008 году, удалось определить практически все основные параметры солнечной короны – распределение концентрации электронов на разных высотах, характерную температуру корональной плазмы. Предложенный Файнштейном метод позволяет (правда, не во всех случаях) определять отдельно и температуру протонов. Была определена поляризационная яркость как всей короны в целом, так и так называемой К-короны. Получены значения и для степени поляризации излучения короны, и для направления поляризации.

Наблюдения короны во время затмений в принципе позволяют определять с высоким пространственным разрешением все эти параметры – все зависит от параметров аппаратуры. Привезти технику в точку наблюдений самолетом или поездом куда проще, чем поднять в космос на ракете… Наземный коронограф «Марк-IV» способен на многое, но его разрешающая способность невысока, некоторые диапазоны высот он просто «не видит», к тому же в последнее время он месяцами не работает. Поэтому для получения некоторых данных о короне альтернативы затменным наблюдениям просто нет.

Интересные работы, выполненные по результатам наблюдений затмений в последнее время, показывают большой потенциал этих наблюдений.

Так, например, одной из зарубежных групп удалось определить границу между областями столкновительной и бесстолкновительной плазмы в короне. А в работах известного американского «затменщика» Джея Пасачоффа делаются попытки исследовать высокочастотные колебания в короне – он успевает получить соответствующие данные за короткие минуты полной фазы затмения.

Итак, наблюдения короны остаются актуальными. Поэтому солнечники продолжают «гоняться» за затмениями по всему миру.

Что же касается рассуждений о поездках за чужой счет в экзотические места – это, конечно, так. Но с оговорками: трое из шести членов экспедиции ездили за свой счет, да и остальные вложили немало личных средств в экспедицию. А насчет экзотических мест – тут уже как распорядятся природа и сарос (цикл солнечных затмений). Когда затмения наблюдались в Читинской, Иркутской и Новосибирской областях, от наблюдений тоже никто не отказывался. Когда затмения будут в Заполярье или Антарктиде, куда любители с шиком отдохнуть носа не кажут, наблюдатели затмений, несомненно, снова будут наблюдать – и на морозе, и на ветру, как это было 9 марта 1997 года на станции Ерофей Павлович в Хабаровском крае…

Оборудование

Для выполнения научной программы требовалось взять с собой на остров около 80 килограммов оборудования, включая два 25-килограммовых астрономических штатива, снабженных специально изготовленными в ИСЗФ кронштейнами для крепления аппаратуры, спектральные приборы – портативный спектрограф и дифракционную решетку, комплект объективов и фотокамер, ноутбуки, а также вспомогательное снаряжение, без которого никогда не обойтись в дальней экспедиции: инструменты, аккумуляторы, паяльник, изолента, светофильтры, фонарики и т. д.

В институте есть подготовленный под руководством доктора физ.-мат наук Валерия Скоморовского экспедиционный затменный телескоп с поляризационной насадкой (на нем в 2008 году в Новосибирске были выполнены успешные наблюдения «русского затмения» 1 августа).

Но мы с тяжелым сердцем отказались везти с собой этот отличный прибор. Вес нашего груза стал бы гораздо больше центнера…

Инициатор и научный руководитель проекта, член-корреспондент РАН, заместитель директора ИСЗФ Виктор Михайлович Григорьев засомневался. Он даже предложил Ольге Ожогиной сократить научную программу и оставить часть оборудования в Иркутске. Было понятно, что центнер (включая личные вещи) груза вдвоем на другой край света увезти на рейсовых самолетах просто нереально (либо запредельно дорого). Но состав участников экспедиции вырос в размере, и неподъемная задача стала выглядеть более реалистичной.

К экспедиции подключился ее идейный вдохновитель, опытный наблюдатель затмений, сотрудник астрономической обсерватории ИГУ Дмитрий Семенов. Для всех троих упомянутых участников экспедиции это было уже пятое затмение.

Присоединился к экспедиции и наш товарищ по предыдущим проектам, руководитель международной Азиатско-Тихоокеанской астрономической школьной олимпиады по астрономии, ученый секретарь Научного совета по астрономии РАН Михаил Гаврилов из подмосковной Черноголовки. Для него это было уже шестое затмение. Кроме того, в экспедиции приняли участие и двое менеджеров – энергетик из города Шелехова Михаил Чекулаев и москвич (впрочем, недавний иркутянин) Алексей Николаев. Без них экспедиция могла и не состояться: бронирование и заказ билетов были начаты за полгода на их деньги, когда других средств еще не было…

Центнер на шестерых – это уже не на двоих. Кроме того, все присоединившиеся к экспедиции имели хороший опыт качественных фотосъемок, и понятно, что каждому нашлось дело.

Объединение человеческих и финансовых ресурсов вот уже несколько раз помогало иркутским астрофизикам выполнять, казалось бы, нереализуемые в наше время проекты. Помимо средств Сибирского отделения РАН и Российского фонда фундаментальных исследований, финансовую поддержку экспедиции оказали иркутские компании «Байкалфарм» и «Авана», фонд «Династия», Международный институт экономики и лингвистики ИГУ, факультет сервиса и рекламы ИГУ и ряд других организаций, за что мы им очень благодарны. Привлечение внебюджетных и личных средств участников сделало реальными и экспедицию, и успешное проведение программы научных исследований. Помощь спонсоров, некоторых средств массовой информации, а также целевое финансирование научными фондами позволило нам организовать уже третью сложную экспедицию на затмения (первая была в Монголию в 2008 году, затем в островную республику Кирибати в 2009-м и, наконец, на остров Пасхи). Надеемся, что эта практика будет продолжена.