«Сонячний зонд Паркера» (Parker Solar Probe) закінчують готувати до наміченого на 11 серпня 2018 року старту із Землі й польоту до Сонця. Історична космічна місія, споряджена NASA, покликана суттєво розширити наші знання про Сонце і його «поведінку», яка впливає на Землю та інші тіла Сонячної системи. Зонд пройде крізь верхню атмосферу Сонця, ближче до його поверхні, ніж будь-який космічний апарат до цього, щоб уможливити дослідження нашої зорі з близької відстані.

Нижче ми відповідаємо на два найважливіших запитання щодо місії Parker Solar Probe. Перше з них: навіщо? (які цілі місії). Друге ― як? (в який спосіб і з якими інструментами космічний зонд має досягти поставлених цілей).

Але перед цим скажемо: зонд, який спершу мав назву Solar Probe Plus, у 2017 р. назвали на честь американського науковця Юджина Паркера. Це відбулося за кілька днів до його 90-річчя. Паркер у 1950-х роках одним із перших запропонував механізм виділення енергії з поверхні зорі, зокрема й Сонця. Він описав складну систему плазми, магнітних полів та заряджених частинок, які утворювали те, що науковець назвав сонячним вітром. Це перший випадок в історії NASA, коли агентство називає космічний апарат на честь живої людини. Зазвичай більшість місій NASA перейменовує після їх початку. Проте цього разу було ухвалено рішення віддати данину Паркеру до запуску космічного апарата, щоб привернути увагу до важливого внеску цього дослідника в геліофізику та космічну науку.

Юджин Паркер торік в жовтні відвідав Лабораторію прикладної фізики імені Джона Гопкінса (Johns Hopkins Applied Physics Laboratory), щоб разом з інженерами та учасниками місії Parker Solar Probe оглянути космічний апарат. Фото з сайту NASA.

Цілі місії Parker Solar Probe

Якщо говорити дуже коротко й узагальнено, то Parker Solar Probe має вивчати корону Сонця — найвищий шар його атмосфери, яку на Землі можна спостерігати або під час повних сонячних затемнень, або з допомогою спеціального телескопа ― коронографа.

Астрономи сподіваються, що Parker Solar Probe допоможе розкрити одну з великих таємниць сонячної корони. Суть її в тому, що температура там значно вища (в 300 разів), ніж температура в нижчих шарах атмосфери Сонця, тобто в хромосфері й фотосфері. Це суперечить буденним уявленням, наприклад, про вогнище: коли людина відходить від нього, то їй стає холодніше. В атмосфері Сонця ситуація зворотна. Причина високої температури корони є таємницею понад 60 років, тобто від моменту її вимірювання.

Друга таємниця, відповідь на яку буде шукати «Сонячний зонд Паркера», — це сонячний вітер. Потік заряджених частинок постійно йде від Сонця й пронизує всю планетну систему. Це він спричиняє магнітні бурі та полярні сяйва в атмосфері Землі. Він може бути небезпечним не тільки для астронавтів на орбіті Землі, але й для автоматичних космічних апаратів. Загалом, сонячний вітер ― один з важливих чинників, які впливають на космічну погоду. Нові знання про сонячний вітер допоможуть убезпечити діяльність людини як в навколоземному просторі, так і на Землі.

Що цікаво, близько біля поверхні Сонця, сильного вітру немає, але в околицях, наприклад Землі, він вже дме доволі помітно (середня швидкість частинок становить 400 кілометрів за секунду). Тобто десь між нашим світилом і планетами є досі невідомий агент, який прискорює сонячний вітер. Науковці сподіваються, що нова місія допоможе його знайти.

Третє завдання для Parker Solar Probe — дослідити явище, яке в астрономії називають викидами корональної маси. Мільярди тон сонячної речовини, викинуті нашою зорею, поширюються в міжпланетному просторі, впливаючи на стан космічної погоди.

Людство вивчає Сонце протягом тривалого часу, але наше сучасне розуміння Сонця засноване на результатах, отриманих з початку космічної ери. Нині ми знаємо, що Сонце «постачає» на Землю не лише через світло й тепло. Для усього живого на планеті воно є активною і динамічною зорею, де відбуваються спалахи й викиди речовини і яка є джерелом сонячного вітру. Це впливає на Землю та інші тіла в усій Сонячній системі.

Як Parker Solar Probe дістанеться до Сонця і якими інструментами буде його вивчати?

Після того, як одна з найпотужніших у світі ракет-носіїв «Дельта IV» (Delta IV Heavy), стартувавши з мису Канаверал (штат Флорида), виведе «Сонячний зонд Паркера» у космічний простір, він візьме курс на планету Венера. Приблизно через шість тижнів після запуску зонд виконає гравітаційний маневр біля Венери (зменшить швидкість) і в листопаді 2018 р. уперше пройде повз Сонце на відстані майже 25 млн км. Далі він упродовж семи років буде літати навколо нього, зменшуючи відстань до світила. За цей час він ще шість разів пройде повз Венеру, щоб переходити на орбіти ближчі до Сонця.

На малюнку схематично показано орбіту Parker Solar Probe після його старту та першого проходу повз Сонце, а також орбіту, коли зонд уперше підійде до Сонця на мінімальну відстань. Мал. ВЦ «Наше небо».

Як удав, що охопив свою здобич і стискає її, так і Parker Solar Probe проходячи щоразу повз Венеру (заплановано сім таких маневрів) буде все ближче й ближче підходити до Сонця в точці своєї орбіти, яку називають перигелієм. Він 24 рази облетить навколо Сонця, щоб зрештою підійти до нього на відстань 6 мільйонів кілометрів. Це у понад вісім разів ближче, ніж раніше робив будь-який інший космічний апарат (попередній рекордсмен — зонд Helios 2 — в 1976 р. підходив до Сонця на відстань понад 43 млн км) і майже у вісім разів ближче, ніж відстань Меркурія до Сонця (мінімальна відстань становить 47 млн км). В цей момент він пролетить над поверхнею Сонця на швидкості 700 000 км/год ― це буде найбільша швидкість, якої коли-небудь досягав рукотворний об’єкт.

Під час мінімального наближення до Сонця та частина космічного апарата, яку воно освітлюватиме нагріватиметься до температури 1370 градусів за Цельсієм. Зрозуміло, прилади не зможуть працювати в таких умовах, тому Parker Solar Probe оснащено захисним екраном (щитом). Сховані під ним інструменти будуть працювати в умовах майже звичної для нас температури в 30 °С.

Захисний екран, як своєрідний бутерброд, має товсте наповнення з вуглецевої піни, що затиснута між тонкими шарами матеріалу, сплетеного з вуглецевих волокон. Ці волокна при нагріванні до кількох тисяч градусів стають міцнішими. З такого матеріалу виготовляли плитки, що покривали носову частину й крила космічних човників NASA.

На малюнку показано Parker Solar Probe поблизу Сонця. Позначено окремі вузли космічного апарата й активні утворення в атмосфері Сонця. Мал. ВЦ «Наше небо» на основі зображення з сайту NASA.

Зонд оснащено сонячними батареями з активним охолодженням. Це має вирішити проблему, пов’язану з відносно швидким переходом зонду від дуже холодного до дуже гарячого середовища. Адже він спершу має пройти через холодну ділянку космічного простору й тільки потім потрапити в жарке середовище. Охолоджувач (теплоносій) має працювати в діапазоні між 10 °C і 125 °C. Є кілька рідин, придатних для цього, зокрема й вода. Її й обрали. Окрім цього, сонячні батареї поблизу Сонця будуть трансформувтися й ховатимуться за захисний екран. На великих відстанях від Сонця вони працюватимуть в розкритому вигляді.

Особливість конструкції Parker Solar Probe ще й в тому, що під час проходів повз Сонце він зможе коригувати роботу системи охолодження без допомоги інженерів на Землі. Це зроблено з тієї причини, що сигнал від зонду ітиме до Землі близько 8 хвилин і стільки ж знову до космічного апарата. За 16 хвилин молоко, залишене на гарячій плиті, встигне «втекти», а комічний апарат біля Сонця втратить всі наукові прилади, які опиняться під дією прямих сонячних променів. Окрім цього, під час найближчих підходів до Сонця, зонд перебуватиме за ним і у принципі не зможе «зателефонувати додому». Тому програмне забезпечення налаштовано так, щоб космічний апарат зміг миттєво змінити просторову орієнтацію для максимального захисту від Сонця.

На облавку Parker Solar Probe встановлено чотири наукових інструменти:

• Solar Wind Electrons Alphas and Protons Investigation, SWEAP (Розвідник електронів і протонів сонячного вітру) для реєстрації найпоширеніших частинок в сонячному вітрі й визначення властивостей (швидкість, щільність і температура) електронів, протонів та іонів гелію.

• Wide-field Imager for Solar Probe Plus, WISPR (Ширококутна камера для Solar Probe Plus) ― це телескоп для отримання зображень корони Сонця та внутрішньої геліосфери. Він має «бачити» сонячний вітер та викиди корональної маси і забезпечити отримання зображень ударних хвиль та інших структур.

• Electromagnetic Fields Investigation, FIELDS (Розвідник електромагнітних полів) для вивчення електричного та магнітного полів у короні та прямих вимірювань ударних хвиль, які проходять крізь корональну плазму Сонця.

• Integrated Science Investigation of the Sun, IS¤IS (Інтегрований розвідник для сонячної науки; зверніть увагу, в абревіатурі назви цього інструменту використано знак Сонця ¤) — два прилади, що виконають інвентаризацію елементів у сонячній атмосфері за допомогою мас-спектрометра для вивчення заряджених частинок поблизу зонду, які рухаються швидше і, отже, мають більше енергії, ніж сонячний вітер.

Зрозуміло, оснастити місію до Сонця було б неможливо без відповідних технологій. Окремі з них з’явилися тільки нещодавно, що, власне, й дозволило організувати такий політ. Про нього науковці мріяли з 1958 р. Тоді Джон Олександр Сімпсон і Джеймс Ван-Аллен висловили ідею про запуск космічного апарата, який міг би підійти щонайменше до орбіти Меркурія для вивчення Сонця.

Місія Parker Solar Probe має закінчитися приблизно через сім років після запуску космічного апарата. Зонд вичерпає паливо, яке він використовував для корегування свого положення в просторі. Це дозволяло йому утримувати чутливі інструменти від сонячної спеки. Коли він не зможе це робити далі, тоді космічний апарат стане розпадатися на великі частини, а потім поступово згорить і його залишки стануть частиною сонячної корони.

За інф. з сайтів NASA підготував Іван Крячко

Читайте, будь ласка, також статтю «Сонячний зонд: ми хочемо зануритися в Сонце», вміщену на сайті журналу «Наше небо».