В 2007 году на экраны вышел фантастический фильм Дэнни Бойла «Пекло» («Sunshine») о пилотируемом полёте к Солнцу корабля «Икар II», защищенного от испепеляющего жара исполинским золотым щитом. Несмотря на смешанные отзывы критиков и зрителей, фильм смог передать величие космоса и ужас той ослепительной бездны, где человек ощущает себя лишь крохотной пылинкой над ревущим океаном первозданного огня.
А через одиннадцать лет, 12 августа 2018 года, с мыса Канаверал стартовала ракета Delta IV Heavy с космическим аппаратом Parker Solar Probe, названным в честь Юджина Паркера, американского физика, который в 1958 году предположил существование солнечного ветра. Паркер так и не получил Нобелевскую премию, хотя и номинировался дважды. Но его именем назвали космический зонд, который сделал невозможное: разогнался почти до двухсот километров в секунду, приблизился на шесть миллионов километров к Солнцу, прикрываясь от жара своим уникальным солнечным экраном, как «Икар II», и впервые в истории исследования космоса нырнул в солнечную корону — и вынырнул невредимым.
Это история о том, как люди решили посмотреть на Солнце вблизи.
Зачем вообще лететь к Солнцу? Спасать затухающее Солнце, как в фильме «Пекло», пока не требуется. Не ради рекордов же? Нет, зонд отправился к Солнцу, чтобы найти ответы на вопросы, мучающие астрофизиков уже много лет.
Самая главная загадка — температурный парадокс короны. Температура поверхности Солнца (точнее, как говорят астрофизики, фотосферы, а не «поверхности») составляет примерно шесть тысяч градусов Цельсия. Логично было бы предположить, что по мере удаления от Солнца температура должна падать. Но происходит ровно обратное: в солнечной атмосфере (короне) она резко подскакивает до трех миллионов градусов. Это противоречит нашему повседневному опыту и законам термодинамики. Как если бы вы стояли возле едва теплого камина, а воздух в метре от него был бы раскален до сотни тысяч градусов. Где тот механизм, который накачивает корону колоссальной энергией? Десятилетия наблюдений в телескопы и компьютерного моделирования не дали ответа. Чтобы понять этот процесс, нужно провести наблюдения непосредственно внутри короны.
Загадка вторая: причина вспышек на Солнце. Солнце — это бурлящий генератор магнитных полей, который регулярно выбрасывает в космос миллиарды тонн заряженных частиц. В 1859 году мощнейший солнечный шторм (его называют «событие Кэррингтона») вывел из строя тогдашние примитивные телеграфные системы по всему миру. Если шторм подобной силы обрушится на Землю сегодня, он уничтожит спутники, выведет из строя GPS, мобильную связь и пережжёт трансформаторы по всему земному шару. Parker должен был подобраться как можно ближе к источнику, чтобы зафиксировать процесс зарождения таких мощных бурь.
Загадка третья: странности солнечного ветра. Солнечный ветер — поток заряженных частиц, летящих от Солнца во все стороны. Вблизи Земли поток кажется относительно однородным, но физики давно подозревали, что у своего истока он ведет себя иначе. Ученых особенно интересовали предсказанные еще в середине прошлого века волны и изломы — участки, где магнитное поле резко меняет направление на противоположное. Чтобы измерить плотность солнечного ветра, его состав и скорость потока, зонду нужно было оказаться там, где он формируется.
Ответы на эти вопросы нужны не только для удовлетворения научного любопытства. Мы сейчас готовимся к частым полетам на Луну, а в перспективе и на Марс. Экипажи будущих миссий надолго окажутся в открытом космосе без защиты магнитного поля Земли. Мощный солнечный выброс смертельно опасен для астронавтов. Поняв природу и капризы Солнца, мы сможем создать надежную систему прогнозирования космической погоды.
Ну, если миссия на Солнце так важна, давайте запустим зонд к Солнцу? Мы же запускаем аппараты ко всем телам солнечной системы, и даже за ее пределы. Voyager 2 сейчас находится на расстоянии 143 а.е. от Солнца, то есть Солнце в 143 раза ближе нам, чем наш самый далекий аппарат. Нужно только защитить солнечный зонд экраном от жара. Почему же полет на Солнце считается подвигом на пределе наших возможностей?
Проблема в том, что Земля несется по своей орбите вокруг Солнца со скоростью 30 километров в секунду. И любой космический аппарат, стартующий с Земли, по умолчанию перенимает эту скорость. Если вы запустите зонд прямо в сторону Солнца, он даже не приблизится к нему. Чтобы оказаться в окрестностях Солнца, нужно не разгоняться, а тормозить. Аппарату нужно сбросить эти самые 30 км/с боковой скорости Земли, чтобы Солнце смогло затянуть его к себе, в свой гравитационный колодец.
В астронавтике всё упирается в затраты энергии на изменение количества движения. Чтобы просто долететь до Марса, нужен относительно небольшой разгонный импульс. Орбита аппарата вокруг Солнца после разгона становится чуть более вытянутой, чем у Земли, и в наиболее удаленной от Солнца точке она касается орбиты Марса, где мы благополучно его и встречаем, стартовав в нужное время. 63 дня — и мы на Марсе.
А чтобы перейти на траекторию сближения с Солнцем, нужно не увеличивать скорость, а уменьшать и потратить на это в 55 раз больше топлива, чем для полета на Марс. Ни одна ракета, когда‑либо созданная людьми, не способна взять на борт столько топлива, чтобы погасить орбитальную скорость Земли. Летать к Солнцу напрямую мы пока не умеем.
В 2005 году, когда готовились к съемкам фильма «Пекло», НАСА тоже начало готовить миссию к Солнцу, но не в киностудии, а в реальности. Первоначальные концепции полетов предполагали использование гравитационного маневра у Юпитера. Схема требовала отправки зонда к орбите газового гиганта (да, парадокс: удаляемся от Солнца, чтобы попросить помощи у короля планет). Юпитер по плану должен был отнять лишнюю скорость у аппарата, и тот перешел бы на траекторию падения на Солнце. Но этот план делал миссию слишком дорогой, долгой и технически противоречивой из‑за необходимости сначала обогревать зонд на пути к Юпитеру, а затем охлаждать его в окрестностях Солнца.
Янпинг Гуо, инженер по проектированию миссий и навигации из Лаборатории прикладной физики Джонса Хопкинса (APL), разработала альтернативный план — схему V7GA (Venus 7 Gravity Assists). Она предложила использовать для торможения не пролёт мимо далекого и массивного Юпитера, а серию пролётов мимо относительно близкой и легкой Венеры. Масса Венеры составляет всего 0,3% от массы Юпитера, поэтому один пролёт не даст необходимой потери скорости. Идеей было многократное торможение: траектория зонда была рассчитана так, чтобы аппарат пролетал мимо Венеры семь раз на протяжении семи лет миссии, с каждым пролётом теряя скорость и все ближе приближаясь к Солнцу в перигелий — ближайшей к Солнцу точке своей орбиты.
Если на первом витке перигелий находился на расстоянии около 24 миллионов километров от Солнца (35 солнечных радиусов), то после последнего запланированного, седьмого пролёта мимо Венеры, скорость была погашена настолько, что удалось приблизиться к Солнцу на 6,1 миллиона километров (9 солнечных радиусов). Эта траектория позволила обойтись без тяжелых блоков для торможения и выполнить миссию с использованием уже существующей ракеты‑носителя.
Словно прыгая с тарзанки, Parker, падая на Солнце с орбиты Венеры, разгоняется, почти долетает до Солнца достигает ближайшей к нему точки и возвращается обратно к орбите Венеры, замедляясь. Каждый пролет ставит новый рекорд скорости и новый рекорд приближения к Солнцу. Во время своего падения 24 декабря 2024 года Parker разогнался до 191 км/с, став самым быстрым объектом, созданным человеком. Он летел в 12 раз быстрее аппарата «Вояджер-1» и в 14 раз быстрее зонда New Horizons, который пулей пролетел мимо Плутона в 2015 году. На такой скорости перелет Parker из Москвы в Санкт‑Петербург занял бы около 4 секунд.
Главная защита аппарата, TPS — солнечный экран диаметром 2,4 метра и толщиной 11 см, сделанный из углеродного композита (подобного тому, что покрывал нос шаттлов) с прослойкой из углеродной пены. Его лицевая сторона, обращенная к Солнцу, покрыта белой керамической краской на основе оксида алюминия, чтобы максимально отражать солнечные лучи. При приближении к Солнцу щит нагревается до 1370°С, в то время как в его тени оборудование работает при комфортных 30°C.
Энергию обеспечивают солнечные панели. Обычно на зонды и орбитальные станции ставят огромные панели, чтобы хватало энергии на все. Но у Parker проблема обратная — света даже слишком много. Его солнечные панели умеют складываться как крылья бабочки. По мере приближения к Солнцу они почти полностью прячутся в тень солнечного экрана. Когда Солнце рядом, даже тоненький краешек солнечной панели с лихвой обеспечивает аппарат электроэнергией. Но даже эти края расплавились бы без активного охлаждения. Инженеры создали уникальную систему SACS (Solar Array Cooling System): внутри панелей под давлением циркулируют пять литров деионизированной воды, охлаждая раскаленные панели и сбрасывая излишки тепла в космос через четыре радиатора. При удалении от Солнца панели раскрываются автоматически, полностью подставляя себя лучам Солнца, как это делают все добропорядочные зонды.
А вот четыре антенны FIELDS прятать не нужно — они рассчитаны на работу в экстремальных условиях и измеряют электрические и магнитные поля непосредственно в кипящей солнечной плазме. Это они открыли так называемые U‑образные потоки — вихревые структуры в солнечном ветре. Телескопы WISPR — широкоугольные камеры, смотрящие вбок: они фотографируют корону. Анализатор SWEAP улавливает электроны и ионы солнечного ветра для определения их скорости, плотности и температуры. Он тоже выступает из‑за щита, подставляя себя под жгучие лучи Солнца. Его решетка раскаляется докрасна, поэтому он сделан из титан‑цирконий‑молибденового сплава, а провода изолированы сапфировыми трубками. А комплекс ISʘIS — набор датчиков для ловли частиц самых высоких энергий. Магнитометры FIELDS (их три штуки) пришлось установить на длинной откидной штанге позади аппарата, чтобы измерять магнитные поля вдали от электромагнитных помех самого зонда.
Parker Solar Probe — это сложный робот размером с автомобиль, умеющий принимать оптимальные решения без команд с Земли. Для отправки фотографий и массива собранных данных используется направленная антенна. Во время максимального сближения с Солнцем аппарат не может повернуть антенну к Земле — иначе он подставит свой бок под лучи Солнца и сгорит. Кроме того, радиорёв в окрестностях Солнца заглушает любую связь. Поэтому в самые жаркие дни Parker летит в режиме полного радиомолчания, сохраняя собранные данные на бортовые накопители. И только вынырнув из солнечной короны и отойдя на безопасное расстояние, он отворачивает щит от Солнца, наводит антенну на Землю и сбрасывает собранную информацию.
Солнечный ветер прошивает микросхемы насквозь. Обычный процессор сошел бы с ума за долю секунды. На Parker установлены защищенные процессоры на базе радиационно‑стойких матриц (ПЛИС Microsemi RTAX4000). Они используют тройное логическое резервирование: каждая логическая операция исполняется трижды, тремя блоками, независимо друг от друга, и если шальная частица изменит один бит, система управления возьмет правильный ответ от двух других блоков. Компьютер обладает абсолютной автономностью: если датчики на краях тени зафиксируют малейшее повышение температуры (щит начал смещаться), компьютер сразу включит маневровые двигатели и поправит ориентацию, не дожидаясь команд с Земли.
В фильме «Пекло», во время маневрирования, ошибка навигатора в ориентации корабля всего на 1,1 градуса привела к тому, что вынесенные вбок коммуникационные фермы с номерами 3 и 4 немного вышли из тени экрана, попали под прямые солнечные лучи и мгновенно сгорели.
На вопрос, почему при таком незначительном крене мгновенно сгорает часть корабля, есть простой ответ — это кино, оно должно быть зрелищным. В реальности создатели Parker учли такие риски и заложили колоссальную «подушку безопасности». Во‑первых, штатная точность ориентации зонда составляет 0,1 градуса — компьютер физически не допускает такого грубого крена, как человек. Во‑вторых, инженеры скомпоновали все чувствительные приборы аппарата в узкий 8-градусный конус, который полностью прикрывается тепловым щитом с двухградусным запасом. Это означает, что даже если бы зонд отклонился на 1,1 градуса, как в фильме, ни один прибор не попал бы под испепеляющий удар — они остались бы в зоне глубокой тени. Вот почему Parker пролетел мимо Солнца уже 24 раза без единой ошибки и сгоревшей детали.
Впрочем, космос отнюдь не спокоен, и зонд регулярно подвергается жестоким бомбардировкам. Вокруг Солнца вращается зодиакальное облако — гигантский диск из пыли, оставленной кометами и астероидами. На скорости почти 200 километров в секунду столкновение даже с микроскопической пылинкой высвобождает огромную энергию. Пылинка и крошечный кусочек поверхности аппарата мгновенно испаряются, создавая настоящие плазменные микровзрывы. Эти вспышки периодически ослепляют звездные датчики зонда, а электромагнитные импульсы от взрывов фиксируются приборами десятки тысяч раз. Тепловой щит аппарата уже покрыт микрократерами, но Parker продолжает работать как ни в чем не бывало.
Отправлять сложнейший зонд в пекло только ради графиков в научных журналах никто бы не стал. Вся наша жизнь, развитие цивилизации, да и сама планета Земля напрямую зависят от Солнца, мы в буквальном смысле его дети. Мы физически живем под Солнцем, купаемся в его лучах, и только благодаря этому аппарату мы начинаем понимать, как устроено наше светило и как оно влияет на нашу жизнь.
Помните загадку о том, почему атмосфера Солнца в сотни раз горячее его поверхности? Parker подобрался вплотную к ответу. Оказалось, что магнитные линии Солнца не уходят в космос ровными лучами — поток плазмы заставляет их извиваться и внезапно изламываться в S‑образные структуры (их назвали «switchbacks»). Когда такой магнитный излом резко выпрямляется, он «щелкает», словно исполинский пастуший кнут, выделяя колоссальную энергию. Именно эти бесчисленные магнитные удары разгоняют солнечный ветер и разогревают корону до миллионов градусов.
До миссии Parker мы знали, что солнечный ветер постоянно обдувает Землю, но не могли разглядеть его истоки. Сейчас зонд подлетел так близко, что буквально увидел «корни» этого потока. Оказалось, что медленный солнечный ветер вырывается не сплошной стеной, а бьет струями из так называемых корональных дыр — огромных магнитных воронок на Солнце, образуя сложную структуру, похожую на струи душа.
В физике Солнца есть странный процесс, называемый «магнитным переподключением». Представьте себе туго натянутые магнитные струны, которые запутываются, рвутся и тут же соединяются по‑новому. При этом происходит колоссальный невидимый взрыв, который разбрасывает вокруг себя плазму. Когда Parker пролетел прямо сквозь зону такого переподключения, его прибор SWEAP зафиксировал аномалию: легкие протоны разлетались от взрыва хаотично во все стороны, а вот более тяжелые ионы почему‑то выстреливались направленно, словно пучком из лазера. Один и тот же взрыв вызывал абсолютно разное поведение частиц! Сейчас научное сообщество в замешательстве, объяснений этому процессу пока нет, и, похоже, придется переписывать теоретические модели плазменной физики.
Еще в 1929 году астрономы предположили, что рядом с Солнцем не должно быть пыли — чудовищный жар должен её испарять. Почти сто лет это оставалось предположением, пока телескопы WISPR на борту Parker не увидели эту границу воочию: пыли действительно нет уже на расстоянии 11 миллионов километров от звезды — вокруг Солнца абсолютно чистый вакуум. Ну, кроме гостя с Земли.
Мы пока не умеем предсказывать солнечные штормы со стопроцентной точностью, но благодаря данным от Parker физики наконец‑то получили недостающие элементы головоломки — понимание внутренней механики зарождения этих бурь. Сейчас наука находится в процессе важнейшего перехода: старые приблизительные модели прогнозирования уступают место новым, основанным на реальных физических данных, собранных зондом прямо в короне Солнца. В ближайшем будущем это позволит нам прогнозировать солнечные бури так же рутинно и уверенно, как метеорологи предсказывают маршруты земных ураганов. А это значит, что у нас будут бесценные часы и дни на то, чтобы перевести спутники в безопасный режим и укрыть астронавтов будущих пилотируемых миссий в противорадиационных убежищах до того, как невидимый шторм обрушится на них.
Кроме изучения Солнца аппарат успел стать и выдающимся венерианским фотографом. Раз миссией запланировано семь пролетов мимо Венеры, странно было бы не воспользоваться такой возможностью. И здесь ученых ждал огромный сюрприз: оптические телескопы WISPR, созданные для съемки солнечной короны, неожиданно смогли разглядеть и сфотографировать поверхность сквозь плотные, непрозрачные облака Венеры.
Дело в том, что поверхность Венеры раскалена до 460°C, и в темноте она буквально светится от жара, как кусок железа, вытащенный из кузнечной печи. Камеры WISPR оказались достаточно чувствительными к ближнему инфракрасному диапазону, чтобы уловить это тепловое свечение. На снимках отчетливо проступили геологические особенности планеты, в частности — огромный горный массив Земля Афродиты (Aphrodite Terra). Поскольку горы находятся выше, там немного «прохладнее» (около 430°C), поэтому на снимках светящейся планеты они выглядят как темные пятна.
А в октябре‑ноябре 2025 года Parker фотографировал межзвёздную комету 3I/ATLAS на расстоянии 130 миллионов км от Солнца, вблизи орбиты Марса. Это была уникальная возможность: комету было не разглядеть с Земли в те дни, потому что она тонула в солнечных лучах.
Ну, и напоследок, групповое фото семи планет на память.
Цвета тут искусственные. Оригинальное фото мозаичное, черно‑белое и очень блеклое.
Parker, разумеется, не вернётся на Землю. Но, вопреки киношным стереотипам, аппарат не упадет на Солнце. По законам орбитальной механики, после своего финального пролета мимо Венеры в конце 2024 года, орбита зонда окончательно стабилизировалась. Он постоянно будет приближаться к Солнцу на 6,1 миллиона километров и отдаляться от него на 500 миллионов километров — за орбиту Венеры. С самой Венерой аппарат если еще раз и сблизится, то только в очень далеком будущем.
Смерть аппарата наступит по другой причине — у него закончится гидразин. На борту Parker есть небольшой бак с топливом для маневровых двигателей. Именно они корректируют положение зонда в пространстве, чтобы тепловой щит всегда смотрел строго на Солнце, укрывая приборы в спасительной тени. По текущим оценкам, гидразина хватит еще на несколько лет. В начале 2030-х годов баки с гидразином опустеют. Без двигателей ориентации аппарат не сможет спрятаться за солнечным экраном во время очередного сближения с Солнцем и попадет под его испепеляющие лучи. За считанные минуты электроника, приборы и корпус расплавятся и испарятся. Но даже тогда он не упадет на Солнце. Его обугленные остатки и неуязвимый углеродный щит будут летать по своей орбите как вечный памятник первому творению человеческих рук, которое осмелилось заглянуть в самое пекло.
Миссия Parker еще не завершилась, но уже получила Collier Trophy в марте 2025 года — престижную награду, присуждаемую с 1911 года, за «самое исключительное достижение в аэронавтике и космонавтике». И вполне заслуженно. Это настоящий прорыв.
Parker доказал главное: мы можем создавать аппараты, способные выживать в самых адских условиях. Мы протоптали дорожку к Солнцу, пусть окольную, но раньше у нас не было и такой. Переданные зондом данные совершили революцию в гелиофизике. Мы перестали просто смотреть на Солнце в телескопы и гадать, что там происходит — мы в каком‑то смысле потрогали Солнце руками. Изучение магнитных «хлыстов», истоков солнечного ветра и беспылевой зоны заложило фундамент для создания надежных систем прогнозирования космической погоды, которые в будущем будут спасать жизни астронавтам на Луне и Марсе.
Но науке этого мало. Прямо сейчас работает европейский аппарат Solar Orbiter, который делает детальные снимки Солнца и дополняет данные Parker. Впереди новые амбициозные проекты 2040-х годов. Инженерные решения, примененные в Parker Solar Probe станут стандартом для будущих солнечных миссий.
Ссылки на другие статьи о космосе
ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/1027914/