Солнечный орбитальный аппарат Европейского космического агентства недавно сделал снимки, которые могут помочь ученым лучше понять загадочную физику нашего Солнца.
Ключевые выводы
- Миссия Solar Orbiter сделала серию красивых УФ-изображений Солнца, на котором есть ряд сложных и чрезвычайно горячих атмосферных слоев.
- Снимая изображения с различными цветами УФ-излучения, можно выявить и изучить различные слои.
- Корабль и его миссия определяются вызовом палящего солнца.
Изображения, недавно переданные обратно на Землю с помощью солнечного орбитального аппарата Европейского космического агентства, нужно увидеть, чтобы поверить в них. Крупнейший из них обнажает устрашающий хаос поверхности Солнца. Над супом из светящихся завитков струи плазмы с температурой в миллион градусов вырываются и танцуют в космосе. При увеличении видны мелкие детали, пряди дуговой структуры и завитки ужасающих вихрей. Все эти потрясающие виды невидимы для нашего глаза. Но, улавливая и отображая ультрафиолетовый (УФ) свет, камеры зонда могут прорезать слои атмосферы Солнца, чтобы раскрыть таинственную физику под ними.
Прежде чем мы углубимся, краткое напоминание: 101-е солнышко, если хотите. Самый внутренний видимый слой Солнца - фотосфера. Его непрозрачная поверхность производит большую часть солнечного света, который мы видим на поверхности Земли, и содержит солнечные пятна. Температура там примерно 5 800 градусов по Кельвину (около 10 000 градусов по Фаренгейту), что довольно холодно для Солнца. Над фотосферой находится хромосфера, названная в честь своего дикого красного цвета и наблюдаемая во время солнечных затмений. Он имеет очень низкую плотность и сильно изменчивую температуру. Тонкий, плохо изученный переходный слой затем ведет к короне. Корона - это самый внешний слой атмосферы Солнца. Именно здесь ревёт невероятно горячая плазма, вспыхивают солнечные вспышки и гигантские взрывы вещества выбрасываются в космос со скоростью миллион миль в час.
Для визуализации этих слоев требуются камеры, чувствительные к разным цветам или длинам волн света. Каждый цвет создается процессами внутри определенного солнечного слоя и проходит через слои выше, чтобы достичь космоса, где мы его фиксируем. Эта концепция прекрасно иллюстрируется изображением НАСА.
На Земле человеческий глаз чувствителен, чтобы видеть свет фотосферы. Это оранжево-желтый шар с темными солнечными пятнами, видимый в верхнем ряду, третий слева, и в среднем ряду крайний слева. В верхних слоях мощные энергетические процессы нагревают и ионизируют - отрывают электроны от молекул газа, образуя горящую плазму. Этот процесс излучает свет очень определенных цветов. Это ультрафиолетовые цвета, которые мы не можем видеть, но наши камеры могут.
Как и большинство астрономических изображений, черно-белые изображения УФ-излучения имеют искусственные цвета, чтобы их можно было проанализировать и оценить. Этот процесс чем-то напоминает медицинский рентген: вы не можете видеть сами рентгеновские лучи, но можете видеть изображение относительной интенсивности их потока, которое остается на куске рентгеновской пленки. Два специальных прибора на борту Solar Orbiter недавно передали обратно УФ-портреты Солнца.
Первый - это система камер Extreme Ultraviolet Imager (EUI). (Для любопытных, вот научное обсуждение каждой отдельной детали.) Этот инструмент сделал огромное изображение всего Солнца размером 9148×9112 пикселей на длине волны 174 ангстрема (Å). Ангстрем - это научная единица расстояния от гребня до гребня световой волны, и 174 из них составляют примерно одну тысячную ширины средней клетки человеческого тела. Наименьшая световая волна, которую могут видеть наши глаза, составляет около 3800 Å, что в 20 раз больше, чем длина волны, используемая для изображения EUI.
Чем меньше длина световой волны, тем выше ее энергия. 174 Å настолько малы и настолько энергичны, что находятся на вершине УФ-спектра, с энергией, почти необходимой для превращения в рентгеновские лучи. К счастью для нас, атмосфера Земли блокирует этот высокоэнергетический свет в экстремальном ультрафиолетовом спектре. Ультрафиолетовый свет с меньшей энергией и большей длиной волны проникает в атмосферу в достаточной степени, чтобы вызывать солнечные ожоги.
Изображение EUI фиксирует переходный слой и более холодные части слоя короны в мельчайших деталях. Другой инструмент, Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE), делает изображения, на которых видно несколько подслоев слоя короны. Вот полное научное описание. Изображения инструмента SPICE демонстрируют фотографии на нескольких невидимых длинах волн. Его чувствительная к ультрафиолетовому излучению камера находится за дифракционной решеткой, которая разделяет свет на лучи разных цветов, подобно призме. Это позволяет делать снимки в диапазоне выбранных длин волн, около 705-790 Å и 970-1050 Å.
Здесь вы можете увидеть набор из четырех изображений всего солнца на четырех отдельных длинах волн. Эти длины волн выбраны по определенной причине. Они соответствуют атомному излучению плазмы в диапазоне температур примерно от 10 000 до более 1 миллиона К; примерно удвоить эти цифры для градусов по Фаренгейту. Научный анализ этих изображений SPICE с различной длиной волны прольет свет на несколько солнечных процессов.
Распределение и эволюция УФ-излучения отслеживает эволюцию плазмы в короне. Это позволяет анализировать плотность, поток и элементный состав плазмы. Например, красное или синее смещение УФ-света может показать скорость частиц плазмы в нити. Поведение нитей, их температура и общий температурный градиент в солнечной атмосфере находятся за пределами нашего нынешнего научного понимания. Эти данные должны способствовать улучшению объяснений.
УФ-камеры - не единственная интересная технология на Solar Orbiter. Полет близко к Солнцу помещает его в непрерывную и обжигающую ванну солнечного света, что требует специальной конструкции корабля и его инструментов. Одна сторона всегда обращена к Солнцу. Эта сторона покрыта отражающей фольгой и теплозащитным экраном, усеяна небольшими дверцами, которые можно ненадолго открыть, чтобы собрать свет для бортовых приборов.
Солнечный поток может быть настолько интенсивным, что солнечные панели должны вращаться, чтобы предотвратить перегрев, а дверные проемы к камерам должны быть очень широкими, чтобы свет все еще мог проходить, когда они расширяются от нагрева. На дальней стороне сами инструменты сгруппированы в тени вдали от жары. SPICE разработан таким образом, что инфракрасный свет, который не отображается, полностью проходит через корабль и возвращается в космос, не выделяя тепла.
С момента своего запуска на борту ракеты Ariane 5 в феврале 2020 года Solar Orbiter следовал за серией эллиптических орбит, по которым корабль нырял к Солнцу, а затем возвращался обратно под действием гравитации примерно на расстояние, близкое к Солнцу. земли. Во время этой вращающейся поездки он будет продолжать передавать изображения Солнца в течение следующих нескольких лет. Астрономы и специалисты по физике Солнца надеются, что эти изображения помогут раскрыть слои таинственной светящейся сферы, которая поддерживает нашу крошечную частичку жизни.