Внеатмосферные (космические) исследования Солнца ведутся более 50 лет. По инициативе С.Л. Мандельштама уже на втором искусственном спутнике Земли был установлен прибор, который регистрировал рентгеновское коротковолновое излучение.
Аппаратура, созданная специалистами лаборатории рентгеновской спектроскопии Солнца Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, позволила впервые получить монохроматические изображения всего солнечного диска и прилегающей короны в рентгеновском диапазоне с высоким пространственным и временным разрешением. В результате был открыт новый класс горячих плазменных структур, размеры которых варьируют от десяти до сотен тысяч километров, а температура превышает 5 миллионов градусов. Последний спутник проекта КОРОНАС «рассмотрел» практически не изученную область — нижнюю корону Солнца.

Внешний пограничный слой Солнца — фотосфера — имеет температуру около шести тысяч градусов. С удалением от поверхности температура начинает падать, приблизительно до четырех тысяч градусов, но затем неожиданно возрастает. В тонком в солнечных масштабах, так называемом переходном слое, где плотность плазмы падает на несколько порядков, температура достигает полутора миллионов градусов.

«Почему корона горячая, мы не знаем. В магнитном поле разных магнитоплазменных структур запасено огромное количество энергии. Объяснение механизма выделения этой энергии и преобразования ее в другие формы (в ускоренные частицы, потоки плазмы, тепло, электромагнитное излучение) — это общая фундаментальная задача астрофизики», — говорит ведущий научный сотрудник отдела спектроскопии ФИАН, доктор физико-математических наук Александр Урнов.

Ответов на многие принципиальные для решения фундаментальных проблем вопросы, связанные как со строением, так и с «жизнедеятельностью» короны, пока нет. Одна из причин — недостаточность необходимых для построения моделей данных о физических характеристиках магнитоплазменных образований (таких как температурный состав, электронная плотность и др.). Для понимания механизмов нагрева короны и явлений солнечной активности требуется существенное увеличение пространственного и временного разрешения исследовательской аппаратуры. Сегодня мы можем видеть объекты величиной порядка секунды дуги в угловой мере, что в линейных размерах на Солнце составляет около тысячи километров. А нужно разрешать объекты почти на порядок меньшего размера.
Сотрудники лаборатории рентгеновской астрономии Солнца ФИАН изучают коротковолновое излучение солнечной короны с 1958 года. Метод «изображающей спектроскопии» (imaging spectroscopy), применяемый при исследованиях Солнца, используется уже более 20 лет для регистрации изображений в узких спектральных интервалах, выделенных специальными фильтрами. Но в этих интервалах оказывается обычно не одна, а несколько линий, формирующихся при разных температурах. Определенный вклад дает и так называемый непрерывный спектр. Все это существенно затрудняет определение температурного состава корональной плазмы. Сотрудники лаборатории создали уникальный прибор — спектрогелиограф, дающий монохроматическое изображение всего диска Солнца и нижней короны в рентгеновской линии и 160 линиях вакуумного ультрафиолета. Получение такого количества спектральной информации (дополнительно к пространственно-временной) принципиально важно для создания плазменных моделей явлений солнечной активности, помогающих понять механизм их образования и развития.

Три запуска в рамках программы КОРОНАС, несмотря на короткую жизнь спутников, дали много исключительно ценной информации. Впервые получены серии рентгеновских «фотографий» всего Солнца в монохроматической линии с высоким пространственным и временным разрешением. Монохроматические изображения в рентгене никто еще не регистрировал, получали только в ультрафиолете. Но и в ультрафиолете была придумана и реализована своя оригинальная схема. Чтобы линии не перекрывались (из-за большого углового размера Солнца), разработана конструкция, где сочетается дифракционная решетка и многослойное рентгеновское зеркало. Изображение Солнца сжимается в одном направлении — дисперсии (разложения в спектр). Вместо диска получается «огурец». В этом направлении уменьшается пространственное разрешение, но зато спектрограммы не перекрываются. Это позволяет получить изображения одной и той же активной области Солнца в десятках линий, характеризующихся различными температурами свечения.

«На последнем спутнике КОРОНАС-ФОТОН были получены изображения в разных монохроматических лучах не только с высоким пространственным, но и с рекордным временным разрешением, что позволило увидеть динамику плазменных структур в практически не изученной области — нижней короне. Причем не в рассеянном свете, а в собственном ультрафиолетовом излучении. Изображения в видимом (рассеянном) свете дальней короны, в которых наблюдаются так называемые корональные выбросы масс (КВМ), природа которых остается во многом загадочной, с 1995 года регулярно ведет станция SOHO (совместный проект ЕКА и НАСА). Но при этом приходится делать искусственную луну и закрывать не только диск Солнца, но и нижнюю корону, чтобы приборы не «ослепли» от излучения солнечного диска, в десятки и более миллионов раз превышающего рассеянный свет. То есть наблюдать можно лишь то, что происходит на расстоянии двух радиусов от Солнца. Именно эту, закрытую искусственной луной область, позволил рассмотреть наш новый прибор — коронограф. Он обладает огромным динамическим диапазоном по измеряемой интенсивности, что позволило закрывать только солнечный диск и наблюдать всю корону от границы диска. В результате получены совершенно уникальные экспериментальные данные», — рассказывает Александр Урнов.

На основе данных, полученных в экспериментах СПИРИТ и ТЕСИС на спутниках КОРОНАС-Ф и КОРОНАС-ФОТОН, в ФИАНе разработаны новые методы количественной диагностики плазмы. С помощью этих методов была определена пространственно-временная динамика характеристик горячих плазменных структур и выполнена их классификация. Благодаря полученной информации о физических характеристиках этих структур удалось построить плазменную модель явления — так называемого «паука» — крупномасштабного долгоживущего горячего плазменного образования, впервые обнаруженного в монохроматических рентгеновских изображениях в эксперименте СПИРИТ.
Изображающая спектроскопия всего Солнца и части прилегающей атмосферы дает возможность изучать не только локальные, но и глобальные процессы, наблюдать за активностью Солнца, отслеживать возникновение вспышек и КВМ. Полученные результаты высоко оценены международным научным сообществом. В настоящее время обсуждается совместный с NASA проект запуска исследовательской космической станции.

АНИ «ФИАН-информ»