Космос. От Солнца до границ неизвестного - Стивен Бэттерсби

Редактор – Стивен Бэттерсби, автор книг по проблемам физики и консультант журнала New Scientist.

Редактор серии Instant Expert – Элисон Джордж.

Приглашенный редактор-эксперт – Джереми Вебб.

Авторы: Джейкоб Арон, Анил Анантхасвами, Стивен Бэттерсби, Эмили Бэнсон, Ребекка Бойл, Маркус Чаун, Стюарт Кларк, Энди Кохлан, Рэчел Куртланд, Ли Крэйн, Кен Кросвелл, Сара Круддас, Педро Феррейра, Вилл Гэйтер, Конор Гирин, Лиза Гроссманн, Адам Хэдэзи, Элис Хэйзелтон, Найджел Хэнбест, Хэл Ходсон, Руан Хупер, Адам Манн, Дана Макензи, Мэгги Мак-Ки, Мика Мак-Киннон, Хэйзел Муир, Шон О'Нэйл, Шэннон Палус, Авива Руткин, Говерт Шиллинг, Сара Скоулз, Дэвид Шига, Майкл Слезак, Джошуа Сокол, Колин Стюарт, Ричард Вебб, Челси Уайт, Сэм Вонг, Эйлин Вудвард.

Нам с вами предстоит совершить путешествие по Вселенной. На борту космического корабля новейшей конструкции мы посетим самые знаменитые объекты известного нам космического пространства. Оставив позади диковинные уголки нашей собственной Солнечной системы, вырвемся на просторы Млечного Пути через дали загадочных межгалактических пустынь, чтобы встретиться с бурлящими нестабильными звездами и экзопланетами, с удаленными галактиками с их гигантскими зияющими черными дырами и рождающимися в мощных взрывах звездами, этими зримыми маяками Вселенной. Для удобства нашей точкой отправления будет астрономический объект всего в 499 световых секундах от нас, за которым наблюдают с тех самых пор, как появились глаза.

Неприметная в космических масштабах звездочка, Солнце играет главную роль в нашей Солнечной системе, на небе и в нашей жизни. В солнечном ядре протоны сливаются друг с другом и образуют ядра гелия, генерируя тепло, согревающее Землю, и создавая полчища неуловимых нейтрино. Солнце дарует нам свет и жизнь, но вместе с тем способно и принести цивилизации хаос – если только мы не сможем разобраться в его магнетических тайнах.

Нашу Галактику заполняют миллиарды звезд. Многие из них светят очень ярко и в конце концов превращаются в сверхновые, в то время как другие обречены на тусклое прозябание. Среди них есть одиночки и парные, звезды с планетами-спутниками и без. Надеясь постигнуть звездные тайны, мы пытаемся добраться до самого края Вселенной… Но в конечном счете в основе всех наших знаний лежит отправная точка нашего путешествия – Солнце.

Солнце состоит из плазмы – ионизованного газа. В его ядре плавятся атомы водорода. Оно извергает на нас свое излучение и дарует животворящий свет. По сравнению с другими звездами наше Солнце можно назвать зрелым – ему около 4,6 миллиарда лет. И еще примерно 5 миллиардов лет пройдет до того, как оно раздуется в красного гиганта и поглотит Меркурий, Венеру и Землю. Как бы тщательно мы его ни изучали, наше светило для нас по-прежнему остается таинственным, изобилуя многими странными явлениями…

Нашей планете требуется 24 часа, чтобы обернуться вокруг себя один раз, и 365 дней, чтобы совершить один оборот вокруг Солнца. Расписание самого Солнца не такое уж простое. Различные части Солнца вращаются с разными скоростями. Солнечный день на экваторе длится 25 суток, в то время как полярным областям, чтобы совершить полный оборот, требуется на несколько суток больше. Такое неравномерное вращение приводит к искажению магнитного поля Солнца. Вращение экватора растягивает магнитные силовые линии, направленные к полюсу. В закрученном магнитном поле возникает напряжение, как при скручивании резиновой ленты. В конце концов магнитное поле рвется и высвобождает энергию в виде солнечных вспышек или гигантских извержений плазмы, называемых корональными выбросами массы (КВМ).

Эта активность подчиняется циклу, который длится примерно 11 земных лет. При этом общее магнитное поле Солнца меняет направление в каждом цикле, создавая своеобразный солнечный календарь. Во время солнечного минимума вспышек на Солнце мало, немногочисленны и солнечные пятна (темные области на поверхности Солнца с наиболее сильными магнитными полями). Во время солнечного максимума пятен становится больше, возрастает число вспышек и корональных выбросов. Иногда корональные выбросы Солнца достигают Земли, нарушая электроснабжение и причиняя вред ее искусственным спутникам.

Последний солнечный максимум (2012–2015) был необычайно спокойным, одним из самых слабых с начала наблюдений в 1755 году. Предсказания, сделанные за пару лет до его начала, обещали нечто впечатляющее, что показывает, насколько плохо мы понимаем природу солнечных циклов.

В течение 11-летнего цикла меняется интенсивность солнечного ветра, рентгеновского излучения, ультрафиолетового и видимого света.

Именно те потоки энергии, которые приходят к нам от Солнца, контролируют климат на Земле; вклад остальных источников энергии в совокупности в 2500 раз меньше. Похолодания и потепления, которые в прошлом случались на Земле, также в значительной степени объяснялись солнечной активностью. В настоящее время низкая солнечная активность играет не последнюю роль в том, что в Северной Европе и в США установились холодные зимы, а в южной Европе, наоборот, зимы довольно мягкие. Хотя по сравнению с глобальным потеплением влияние солнечной активности не так уж велико.

В 2003 году космическое агентство НАСА запустило космический аппарат Total Irradiance Monitor (TIM, Контролер совокупного излучения, КСИ), который осуществляет постоянный мониторинг полной интенсивности падающего излучения. Аппарат следит за спектром солнечного излучения, фиксируя малейшие изменения излучаемого потока. Это дает ученым возможность отличить влияние человека на климат от прочих чисто естественных причин, которые мы не в силах контролировать.

Но солнечное излучение и скачки в его интенсивности влияют не только на климат. Во время солнечного минимума потоки заряженных частиц – так называемый солнечный ветер – вылетают с полюсов с более высокими скоростями и оказывают на вещество из межзвездного пространства большее давление. Увеличивается размер гелиосферы – огромного пузыря из заряженных частиц и магнитных полей, который раздувается вокруг Солнца и прокладывает себе путь за орбиту Плутона. Во время солнечного максимума магнитные поля на Солнце запутываются, препятствуя истечению сильного солнечного ветра, в результате чего гелиосфера сокращается.

Мы выяснили, что Солнце сильно влияет на земную и космическую погоду. Но и на самом Солнце погода впечатляет. Вокруг Солнца скапливается сверхгорячая плазма, формируя солнечную корону. Часть этой плазмы покидает корону в виде солнечного ветра, другая выпадает обратно на Солнце в виде осадков.