Исследователи космоса

У кого-то уже от одного только этого словосочетания начинает болеть голова. Кого-то, если верить комментариям к новостям о солнечных вспышках, колбасит даже до того, как они случились. А те, кто смотрел фильм "Знамение" с Николасом Кейджем, при каждом упоминании о мощных солнечных вспышках думают: "Ну может это наконец-то те самые? Может пора бы уже?".

Что можно сказать наверняка - так это то, что подавляющее большинство людей о вспышках на Солнце знают лишь поверхностно - то, что они существуют и могут чем-то там навредить, но вопросы "Кому, чем и как?" ставят в тупик. А чаще - вызывают смех с комментарием: "Ну ты тупооой".

В этом посте я подробно расскажу о солнечных вспышках: что это за зверь, откуда берется, кому и чем может грозить (и может ли вообще кому-то причинить вред).

Спойлер для ЛЛ: вам - не может. Вряд ли ЛЛ соберется в космос.

А теперь подробнее.

Солнечная вспышка - это процесс резкого выделения большого количества энергии в широком диапазоне электромагнитного излучения: от рентгеновского до радиодиапазона.

Не вдаваясь подробно в физику процесса, можно сказать, что вспышка происходит тогда, когда солнечная плазма сжимается мощными магнитными полями до критической величины, после чего происходит переконфигурация магнитных полей в активных областях, а плазма высвобождается за небольшой промежуток времени (чаще всего - от 10 до 30 минут, но бывают и длительные вспышки - до полутора-двух часов).

Солнечные вспышки всегда происходят в активных областях - солнечных пятнах.

Солнечные пятна - это области на Солнце, где линии магнитного поля выходят на поверхность, нарушая движение плазмы в гранулах и понижая их температуру и яркость. Именно в этих магнитных полях и накапливается солнечная плазма как основа вспышек.

Далеко не каждое солнечное пятно порождает вспышки. Чем сложнее переплетения магнитных полей в группе пятен - тем выше вероятность вспышек. Солнечные пятна делятся по нескольким категориям в зависимости от магнитной конфигурации:

Альфа - группа пятен одной полярности. Самая простая конфигурация с наименьшей вероятностью вспышек;
Бета - биполярная группа пятен (есть и положительная, и отрицательная области, расположенные отдельно друг от друга);
Гамма - сложная биполярная группа пятен с неравномерно распределёнными пятнами разных магнитных полярностей;
Бета-гамма - сложная биполярная группа пятен с неравномерно распределёнными пятнами и сильными искажениями магнитных полей в группе;
Дельта - пятно, расположенное в полутени более крупного пятна и отличающееся от него магнитной полярностью (по определению такое пятно не может существовать отдельно: их как минимум два и они получают конфигурацию бета-дельта);
Бета-дельта - биполярная группа пятен, имеющая как минимум одно дельта-пятно;
Гамма-дельта - то же, что и гамма, но имеющая в составе как минимум одно дельта-пятно;
Бета-гамма-дельта - то же, что и бета-гамма, но имеющая в составе как минимум одно дельта-пятно. Самая сложная магнитная конфигурация. Такие группы пятен являются самым частым источником мощных вспышек.

Большинство пятен на Солнце имеют альфа- или бета- магнитную конфигурацию. Появление бета-гамма, бета-дельта и бета-гамма-дельта солнечного пятна практически всегда светит возникновением мощных вспышек.

Вернёмся именно к вспышкам. Мощность вспышки определяется по максимальному потоку рентгеновского излучения с Солнца:

А-класс - не более 0,0000001 Вт/кв.м.;
В-класс - не более 0,000001 Вт/кв.м.

На самом деле, А и В классы и вспышками назвать нельзя - слишком слабое у них влияние на околосолнечное пространство. Их чаще считают уровнями фонового солнечного рентгена. А вот дальше уже становится интереснее:

С-класс - поток рентгена не более 0,00001 Вт/кв.м. Являются самыми слабыми солнечными вспышками и при этом - самые частые вспышки;
М-класс - поток рентгена не более 0,0001 Вт/кв.м. Вспышки М-класса являются причинами R1 слабых (при потоке до 0,00005 Вт/кв.м.) и R2 умеренных (от 0,00005 Вт/кв.м. до 0,0001 Вт/кв.м.) радиопомех на солнечной стороне Земли. Рентгеновское излучение увеличивает число ионов в ионосфере, что делает её хорошим проводником электричества, что и приводит к нарушению ВЧ-связи (от 1 до 25 МГц);
Х-класс - поток рентгена более 0,0001 Вт/кв.м. Самые мощные вспышки из возможных. Способны привести к серьезным помехам и даже полному отключению связи в ВЧ и СВЧ-диапазоне (от 30 МГц для вспышек класса Х1 и выше. Чем мощнее вспышка - тем больше верхняя граничная частота радиопомех: R3 сильные помехи - при вспышке от Х1 до Х10, R4 очень сильные помехи - при вспышке от Х10 до Х20 и R5 экстремальные помехи - при вспышке от Х20 и выше).

К примеру: если вспышка классифицирована как М2.4, то значит поток рентгеновского излучения с Солнца в этот момент составляет 0,000024 Вт/кв.м. Поток измеряется со всего солнечного диска: если в один и тот же момент времени наблюдаются две или более вспышек из разных областей - поток рентгеновского излучения будет суммироваться, а вспышка будет зарегистрирована как одна. Так было 23 апреля 2024 года, когда в один момент на Солнце произошли сразу 4 вспышки. Такие события называются симпатическими солнечными вспышками. Они не случайно вспыхивают одновременно: такие пятна связаны между собой.

Вспышки С-, М- и Х-класса могут быть источником выброса корональных масс, причем вспышка С-класса производит выброс крайне редко, вспышка М-класса - только если она длительная (от 20 минут и дольше, и то - не всегда), вспышка Х-класса - очень часто (но тоже не всегда, если вспышка импульсная - выброса корональных масс практически не бывает).

Выброс корональных масс, направленный в сторону Земли - единственная причина возникновения магнитных бурь и, как следствие - полярных сияний (важно: к выбросу корональных масс могут привести не только вспышки. Но об этом мы поговорим в другой раз). Однако выброс не всегда случается даже во время мощных вспышек. Так, вспышка класса Х6.3 22 февраля 2024 года не сопровождалась выбросом корональным масс вообще, а вспышка класса С9 15 марта 2015 года плюнула такой выброс, что уже 17 марта полярные сияние было хорошо видно на широте Москвы.

Корональные выбросы массы обнаруживаются приборами SOHO и STEREO (NASA) и фиксируются программой Cactus.

Кроме магнитных бурь и полярных сияний, выбросы корональных масс ни к чему не приводят. Земная атмосфера хорошо блокирует рентгеновское излучение (эквивалент метрового слоя бетона), поэтому до поверхности Земли ничего не долетает (но влияет на спутники: навигационные спутники могут давать ошибку позиционирования на Земле в несколько метров). При этом рентгеновское излучение - самое мощное электромагнитное излучение, испускаемое вспышками. Всё остальное излучение влияет на Землю слабее, а потому не может нанести серьезный вред.

Но ведь вред есть! Где же та самая опасность, которая не грозит ЛЛ и до которой она не дочитала в полном составе?

Опасность здесь же, в мощных солнечных вспышках. Дело в том, что раньше мы говорили о явлениях, вызванных электромагнитным излучением, практически не учитывая (кроме выбросов корональных масс) потоки частиц высоких энергий. Именно в них кроется одно весомое и очень жирное НО, которое обязательно нужно учитывать.

Вспышки на Солнце могут вызвать солнечный радиационный шторм или протонное событие.

Как видно из гифки, зернистость появляется практически одновременно с появлением изображения выброса корональных масс. Это говорит о том, что частицы, вызывающие зернистость, движутся со скоростью, близкой к скорости света. А значит, эти частицы обладают очень высокой энергией - горааааздо большей, чем несет в себе рентгеновское излучение.

Солнечный радиационный шторм или протонное событие - явление, когда во время вспышки (чаще всего - во время вспышки Х-класса) резко повышается поток протонов высоких энергий (от 10 мегаэлектрон-вольт и выше). Протонное событие всегда сопутствует мощному выбросу корональных масс. Как и рентгеновское излучение, вызывает дополнительную накачку ионами ионосферы со всеми вытекающими помехами для радиосвязи, но при этом:

• Эти помехи сильнее всего накрывают приполярные области, которые хуже всего защищены магнитным полем;

• Помехи могут продолжаться до нескольких суток.

Но это не все проблемы, которые несет в себе протонное событие. Опасность зависит от силы протонного события по шкале от S1 (слабое) до S5 (экстремальное).

1. S1 (слабое протонное событие). Поток протонов от 10 до 100 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Происходит часто. Страдает (но живет) коротковолновая связь в приполярных областях.

2. S2 (умеренное протонное событие). Поток протонов от 100 до 1000 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Происходит достаточно часто. Коротковолновая связь страдает уже сильнее, но при этом еще и страдает бортовая аппаратура спутников.

3. S3 (сильное протонное событие). Поток протонов от 1000 до 10000 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Происходит редко (несколько раз за весь солнечный цикл). Коротковолновая связь в приполярных областях еле работает, навигация немного страдает. В космосе падает эффективность работы солнечных панелей спутников и космических станций, сильно страдает бортовая аппаратура. Космонавтам не рекомендуется выходить в открытый космос, а трансполярные авиарейсы рекомендуется перенаправлять (но последнее - не обязательно: угроза пассажирам минимальна).

4. S4 (очень сильное протонное событие). Поток протонов от 10000 до 100000 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Происходит даже не каждый солнечный цикл (последнее такое событие было в октябре 2003 года). Коротковолновая связь в полярных областях практически неживая, навигация работает с серьёзными ошибками. Солнечные батареи сильно страдают. Космонавтам допускается выходить в открытый космос только в случае крайней необходимости (на борту станции угроза минимальная). Трансполярные авиарейсы по возможности перенаправляются.

5. S5 (экстремальное протонное событие). Поток протонов более 100000 частиц в секунду через квадратный сантиметр на один стерадиан. Еще не было зафиксировано ни разу. Коротковолновая связь в приполярных областях умирает окончательно, навигация не работает. Критическая угроза для всех без исключения спутниковых систем (до полного выхода из строя). Трансполярные авиарейсы запрещены. Выход в открытый космос запрещён, возможна экстренная эвакуация экипажа на Землю.

При всех своих грозных свойствах - протонное событие совершенно не опасно для тех, кто находится на поверхности Земли, даже для сотрудников полярных станций угрозы никакой нет. Вся угроза - только для космонавтов, и та эта угроза настолько редкая, что большую часть времени её можно не учитывать, а даже если она возникнет - протонное событие не убьет мгновенно, а лишь повысит полученную дозу радиации. Даже лучевую болезнь не вызовет. Чем быстрее космонавты покинут станции - тем меньшую дозу они получат, а по-быстрому сделать ноги с той же МКС можно за несколько часов. Но тем не менее - приятного мало.

Больше угроз никаких нет.

А что насчет супервспышек из "Знамения"? Насколько они возможны и возможны ли вообще?

Наше Солнце - звезда типа "желтый карлик". И так уж вышло, что такой тип звёзд - самый распространенный в нашей галактике, поэтому у учёных есть возможность пронаблюдать за "солнцеподобными" звездами практически на всех этапах их эволюции, в том числе на этапах, соответствующих нынешнему этапу жизни Солнца.
Мы же помним, что во время вспышек наблюдается всплеск во всех диапазонах электромагнитного излучения. В том числе и в видимом диапазоне, который мы вполне можем измерить с высокой точностью. Во время мощных вспышек яркость Солнца растет, пусть и незначительно. Но если речь идет о супервспышках - то и изменение яркости будет более заметным. Мы знаем, как меняется яркость Солнца при нынешних вспышках вполне приемлемой мощности, у нас есть взаимосвязь между изменением яркости Солнца во время вспышек в видимом диапазоне и соответствующим ему потоком рентгеновского излучения. Мы можем оценить, какой должен быть поток рентгена, чтобы разрушить атмосферу и убить всё живое на Земле и представляем, как при этом изменится яркость звезды. Так вот: ничего и близкого к таким сильным скачкам яркости солнцеподобных звёзд на современном этапе их эволюции не обнаружено.

Вывод простой: Солнце просто не способно породить столь мощную вспышку, которая могла бы кого-то убить на Земле.

Но мощные вспышки всё-таки (скорее всего) существуют. В 2012 году японская учёная Фуса Мияке обнаружила загадочный скачок углерода-14 (в 3 раза больше обычного) в годичных кольцах деревьев в разных концах света. Последний из таких скачков обнаружен на кольцах, которым чуть больше 1000 лет и датирован 993 годом. Этот скачок может быть вызван бомбардировкой атмосферного азота свободными нейтронами, но у них очень малый срок жизни - всего 15 минут. Единственным приемлемым источником таких нейтронов было названо Солнце. 15 минут от Солнца до Земли - это чуть больше половины скорости света, что для свободных частиц вполне возможно. Но при этом это должна быть вспышка невиданной мощности - ведь за всю историю наблюдения таких вспышек не было зафиксировано. Даже событие Кэррингтона (мощнейшая магнитная буря в истории наблюдений в 1859 году) не вызвало подобных отпечатков в деревьях. Такие теоретически возможные вспышки на Солнце были названы событиями Мияке - в честь учёной, обнаружившей следы такой вспышки. И это самое сильное, что человечество смогло обнаружить.

Но даже такая мощная вспышка не навредила жизни на Земле. А некоторые люди испугались каких-то нескольких тщедушных нынешних вспышек в пределах Х10. Притом что даже самая мощная вспышка последних лет не входит даже в топ-15. Кстати советую заглянуть в ТОП-50 солнечных вспышек - охренеете от того, что творилось в 2001-2003 годах.

Улыбнитесь Солнцу - и оно обязательно улыбнется в ответ :)

В следующем посте мы подробно поговорим о том, как возникают магнитные бури как следствие вспышек на Солнце (и не только их), а после - о полярных сияниях развернуто. Может объединю два поста в один (но это не точно - по сияниям очень много чего можно рассказать).

И добро пожаловать в Астрофотолабораторию! Я познакомлю вас с космосом от первого лица.

Пуск ракеты-носителя «Союз 2.1б» был осуществлен с площадки №43 космодрома Плесецк, расположенного в Архангельской области. Это уже третий пуск ракеты-носителя «Союз 2.1б» с космодрома Плесецк в этом году.

Сегодня вместе с основной полезной нагрузкой министерства обороны на орбиту была запущена новая партия гражданских космических аппаратов производства частной российской компании «СПУТНИКС» (дочерняя компания «СИТРОНИКС СПЕЙС»).

Со всех спутников получена телеметрия, КА взяты на управление Центром управления полетами компании.

Среди запущенных спутников:

🛰2 космических аппарата дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) «Зоркий-2М»

🛰4 спутника автоматической идентификационной системы (АИС) SITRO-AIS для трекинга морских судов.

Космические аппараты были созданы на базе технологии CubeSat и войдут в космические системы ДЗЗ и АИС компании «СИТРОНИКС СПЕЙС»🪐

Основная полезная нагрузка двух космических аппаратов (КА) «Зоркий-2М» - мультиспектральная камера, позволяющая получать изображения земной поверхности в четырех спектральных диапазонах (красный, зеленый, синий, ближний ИК) с разрешением от 2,5 до 2,8 метров на пиксель в зависимости от высоты орбиты и полосой захвата до 14 км.

КА «Зоркий-2М» собран в форм-факторе 12-юнитового CubeSat с габаритами 20х20х30 см и массой всего лишь 18кг!

На орбите уже работают два спутника «Зоркий-2М», еще два новых спутника увеличат возможности российской орбитальной группировки ДЗЗ.

Другие запущенные спутники АИС представляют собой 3-юнитовые CubeSat, оснащённые аппаратурой для приема и передачи сигналов системы автоматической идентификации с морских судов на наземные станции для контроля и обеспечения безопасности мореплавания, в том числе по Северному морскому пути.

В настоящее время в группировке SITRO-AIS вместе с запущенными спутниками уже работают 28 специализированных КА, кроме того, приемной аппаратурой АИС оснащены и все спутники «Зоркий-2М».

В 2023 году Ситроникс изготовили 100 спутников!

Разрабатываем спутники для российских и иностранных заказчиков, кроме этого создаем аппараты для развития науки и образования, наземное испытательное оборудование и учебные комплексы для космического образования👋

В каталоге, составленном по данным пяти обзоров всего неба, — более полутора тысяч объектов.

С 12 декабря 2019 года по 7 марта 2022 года телескоп ART-XC им. М.Н. Павлинского, входящий в состав российской орбитальной обсерватории «Спектр-РГ», практически непрерывно сканировал небесную сферу в жестких рентгеновских лучах, совершая полный обзор каждые полгода. В результате все небо было осмотрено как минимум четырежды, а 40 процентов неба — пять раз. Затем в течение полутора лет до октября 2023 года телескоп ART-XC проводил глубокий обзор плоскости Галактики, после чего сканирование всего неба было возобновлено.

Телескоп СРГ/ART-XC: 114 открытий за два с половиной года

Во время этих полутора лет ученые ИКИ РАН трудились над построением рентгеновской карты неба на основе данных, полученных до марта 2022 года, и детектированием источников на этой карте.

Итогом этой работы стал каталог рентгеновских источников, обнаруженных в ходе обзора СРГ/ART-XC в 2019-2022 гг., — «Каталог пяти обзоров» (ARTSS1-5). Он представлен в статье, которая была принята к публикации в журнале Astronomy and Astrophysics и вышла в архиве электронных препринтов.

Новый каталог по своим характеристикам значительно превосходит предыдущий (первый) каталог источников обзора всего неба СРГ/ART-XC (Pavlinsky et al. 2022), основанный на данных первых двух сканов неба (с декабря 2019 по декабрь 2020 гг.). Главная причина — более чем удвоенное количество зарегистрированных рентгеновских фотонов.

«Помимо существенного увеличения используемой научной информации важную роль сыграли усовершенствования, внесенные в алгоритм регистрации источников», — говорит старший научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН Родион Буренин, ответственный за обработку данных обзора и построение рентгеновской карты неба.

Каталог включает 1545 источников рентгеновского излучения. Значительная часть из них была известна из предыдущих обзоров неба разными космическими обсерваториями. Однако примерно 10% из зарегистрированных источников — новые, и они представляют особый интерес.

«Одной из главных целей, которые мы ставили перед собой, было добиться максимально полного отождествления источников каталога. В рентгеновской астрофизике важно не только найти новый объект, но и определить его природу, а это можно, если мы этот же объект обнаружим на небе в видимом диапазоне. Телескоп ART-XC может определять положения рентгеновских источников на небе с очень высокой точностью — порядка четверти угловой минуты, поэтому мы можем легко отыскивать на небе их вероятных оптических компаньонов», — говорит ведущий научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН, первый автор статьи, профессор РАН Сергей Сазонов.

При необходимости для таких объектов проводится оптическая спектроскопия на 1.6-метровом телескопе АЗТ-33ИК Саянской обсерватории и 1.5-метровом Российско-турецком телескопе. К настоящему моменту значительная часть источников (1463) в каталоге ARTSS1-5 уже отождествлена и классифицирована. Остальные в основном находятся на южном небе, до которого «не дотягиваются» российские оптические телескопы.

Большинство классифицированных объектов в новом каталоге — активные ядра галактик (АЯГ), их около 900. Это сверхмассивные черные дыры в центрах далеких галактик, которые активно аккрецируют окружающее их вещество. Стоит отметить также присутствие в каталоге почти 200 катаклизмических переменных (КП) — двойных систем, в которых происходит аккреция вещества на белый карлик. Они находятся уже в нашей Галактике.

«Именно выборки АЯГ и КП кажутся нам особенно интересными, так как позволяют исследовать статистические свойства таких объектов в близкой Вселенной и в нашей Галактике соответственно», — говорит старший научный сотрудник отдела астрофизики высоких энергий ИКИ РАН Роман Кривонос.

В каталоге есть и много других интересных объектов: аккрецирующие нейтронные звезды и черные дыры, звезды с горячими коронами, остатки сверхновых, скопления галактик. Максимально полная информация об источниках СРГ/ART-XC будет вскоре представлена на специальном общедоступном сайте каталога.

В соответствии с текущей программой обсерватории «Спектр-РГ» обзор всего неба телескопом ART-XC будет продолжаться до конца 2025 года. Это позволит ученым еще раз обновить каталог источников, уже используя данные восьми сканов неба. Ожидается, что размер итогового каталога увеличится еще примерно вдвое.

Положение на небе (в Галактических координатах) источников, обнаруженных телескопом ART-XC им. М. Н. Павлинского обсерватории «Спектр-РГ» в ходе обзора всего неба. Размер символов характеризует рентгеновскую яркость источников. Изображение из статьи S. Sazonov et al., 2024

***

Космический аппарат «Спектр-РГ», разработанный в АО «НПО Лавочкина» (входит в Госкорпорацию «Роскосмос»), был запущен 13 июля 2019 г. с космодрома Байконур. Он создан с участием Германии в рамках Федеральной космической программы России по заказу Российской академии наук. Обсерватория оснащена двумя уникальными рентгеновскими зеркальными телескопами: ART-XC им. М.Н. Павлинского (ИКИ РАН, Россия) и eROSITA (MPE, Германия), работающими по принципу рентгеновской оптики косого падения. Телескопы установлены на космической платформе «Навигатор» (НПО Лавочкина, Россия), адаптированной под задачи проекта. Основная цель миссии — построение карты всего неба в мягком (0.3–8 кэВ) и жестком (4–20 кэВ) диапазонах рентгеновского спектра с беспрецедентной чувствительностью. Научный руководитель орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-РГ» академик Рашид Сюняев.

Дополнительная информация

1. S. Sazonov et al. SRG/ART-XC all-sky X-ray survey: Catalog of sources detected during the first five surveys, Astronomy and Astrophysics (в печати) и на сайте архива электронных препринтов arXiv.org

2. Сайт проекта «Спектр-Рентген-Гамма»