Исследование "солнечной пушки": Новые данные с давно замолчавшего "наследника "Вояджеров" взбудоражили учёных

Поверхность планеты, на которой живёт 7,5 миллиарда человек и огромное количество животных, защищена от вредного воздействия солнечного ветра магнитосферой — магнитным полем Земли, которое отклоняет заряженные частицы. Во время вспышек на Солнце огромные массы ионизирующих частиц "выстреливают" в открытый космос. Не встречая сопротивления, они почти сразу летят в сторону Земли, где вызывают не только магнитные бури, но и воздействуют на критически важную инфраструктуру, без которой жизнь современного человека практически невозможна.

Чтобы понять, как именно работает магнитосфера Земли и с чем приходится иметь дело при каждой вспышке на Солнце, в 1994 году NASA запустило космический зонд Wind. Одним из предположений учёных, ради которого аппарат был создан и запущён в космос, стала теория о воздействии на планету плазменных волн, точнее электромагнитного излучения, заключённого в них.

На борту зонда "Винд" стоимостью 173 миллиона долларов было установлено восемь научных инструментов: шесть приборов для анализа характеристик солнечного ветра и ещё два — для изучения гамма-вспышек. Первоначальная миссия космического корабля заключалась в перемещении к точке Лагранжа L1 (место между двумя крупными объектами, например Землей и Солнцем, где третье малое тело может оставаться неподвижным относительно двух этих тел), но поскольку ранее в это место были отправлены космические аппараты SOHO и ACE, то траекторию полёта "Винд" решили поменять. Его отправили на эллиптическую орбиту в форме восьмёрки вокруг Земли с размером 28 000×1,6 миллиона километров.

Два года после запуска Wind измерял приходящий от единственной звезды в системе солнечный ветер, магнитные поля и частицы. 17 ноября 1998 года аппарат начал двигаться по серии "лепестковых" орбит с облётами Луны, и в этот момент датчики зонда начали передавать учёным тревожные данные. Первые сведения об электромагнитном излучении показали, что в областях межпланетного пространства и магнитосферы, которые ранее не исследовались, наблюдается электромагнитная активность, которая в несколько тысяч раз превышает ту, что ранее наблюдалась у границ магнитосферы Земли.

Учёные предположили, что такая активность может наблюдаться по причине отсутствия магнитосферы у Луны: потоки ионизирующего излучения "пробивают" её насквозь, а часть солнечных лучей с высокой энергией летит с достаточной скоростью, чтобы добраться до магнитосферы Земли и, возможно, даже "пробить" её. В 2020 году в журнале Advancing Earth and Space было опубликовано исследование, подтверждающее эти выводы. Значительная часть данных с зонда Wind позволила учёным доказать, что даже с расстояния в полтора миллиона километров крупные потоки солнечного ветра могут вызывать колебания магнитосферы и провоцировать её истощение на определённых участках.

Это явление космологи сравнили с образованием озоновых дыр на Земле: если магнитосферный щит Земли будет пробит ионизирующей "солнечной пушкой", то всё живое на планете ждёт если не вымирание, то как минимум глобальный биологический катаклизм. Также исследователи заключили, что на Солнце, вероятно, происходят "процессы, которые не должны были и не были зафиксированы ранее". К ним астрофизики отнесли и повышение длительности солнечной активности — из-за него на Земле стали чаще происходить магнитные бури, а также повышение средней температуры на поверхности звезды — с 5,7 тысячи кельвинов Солнце "подогрелось" до 6 тысяч, что в космических масштабах — процесс чрезвычайной важности.

Большую помощь учёным в наблюдениях за космическими лучами оказал российский гамма-спектрометр "Конус", разработанный учёными физтеха имени Иоффе. Он пригодился для наблюдений за транзиентными явлениями в гамма-диапазоне — вспышками электромагнитного излучения, связанными с грозовыми областями в средних и нижних слоях атмосферы, — и позволяет определить, насколько сильно "обстрелы" ионизирующим излучением могут вредить атмосфере Земли.

Первоначальный прогнозируемый срок службы модуля должен был составить до пяти лет. Но после 10 лет пребывания в космосе его приборы работали стабильно, а к 2004 году он вернулся на точку Лагранжа L1, где и остался навсегда. Wind продолжал работать и в 2017 году, через 22 года после запуска, отправляя данные исследователям. Единственным включённым прибором модуля сейчас остается гамма-спектрометр TGRS, остальное оборудование замолчало после передачи самого крупного и самого волнующего пакета данных в 2016 году. Эти данные Wind отправил незапланированно, однако именно эта информация стала определяющей во всей миссии.

За год до того, как вышли из строя три высокочувствительных детектора, Wind отправил на Землю данные о том, что Солнце излучает в сторону планеты "косые межпланетные волны". Их существование было подтверждено другими космическими зондами — Polar, Cluster, Geotail, Image, SOHO и ACE. "Наклонная ударная волна", данные о которой поначалу казались фантастическими, заставила учёных подробнее изучить магнитосферу Земли. Эти исследования завершились в 2018 году: в рамках математических экспериментов исследователи выяснили, что у защитной оболочки планеты есть определённый запас прочности. Она может деформироваться и даже "сворачиваться внутрь" под действием потоков ионизирующего излучения, однако не "пробьётся", во всяком случае в данный момент.

Проблема заключается в том, что в 2019 году исследователи расшифровали и описали один из последних пакетов данных с модуля, полученный до поломки основных датчиков. Длительность солнечных вспышек, после которых во все стороны (в том числе и в сторону Земли) улетает ионизированное излучение, может возрасти. Пока жителям Земли доставляют неприятности лишь незначительные "плазменные продукты", а "буря на Солнце" длится не более 20 минут. Если длительность "плазменных атак" возрастёт, то вместе с ней с высокой долей вероятности повысится и интенсивность солнечного ветра и, как следствие, опасность для всего живого на поверхности Земли.

По прогнозам учёных, у зонда Wind достаточно топлива, чтобы оставаться в точке Лагранжа как минимум следующие 60 лет. Из всех инструментов для наблюдения, установленных на Земле, в полностью исправном состоянии остаются датчик ионов и электронов в зоне солнечного ветра и ударной волны, а также датчик структуры, интенсивности и флуктуации межпланетных магнитных полей. Если оставшиеся исправными приборы продолжат работать, то учёные рассчитывают получить исчерпывающие данные о начале каждой плазменной бури. В данный момент они сверяют данные модуля Wind с показаниями модуля "Паркер", недавно достигшего солнечной короны, на предмет аномалий. По предварительным данным, новая информация может сделать устаревшими примерно две тысячи различных исследований активности Солнца, проведённых в последние 30 лет.