В России начали строить самый большой солнечный телескоп в Евразии! Что с его помощью смогут узнать ученые?

В этом месяце ваш институт объявил о начале строительства крупнейшего телескопа в Евразии. Вы не могли бы подробнее рассказать о том, что это за проект?

Идея создания крупного солнечного телескопа появилась достаточно давно, когда стало очевидно, что существующие инструменты имеют принципиальные ограничения. Речь идет о телескопах с зеркалами порядка одного метра в диаметре — это сегодня типичные солнечные телескопы. Еще в середине прошлого века ученые столкнулись с тем, что привычные солнечные телескопы не могут позволить нам решить целый ряд научных задач.

Дело здесь в том, что романтическая эпоха, когда один человек смотрел в окуляр телескопа, давно прошла. Сегодня телескопы — это высокотехнологичные аппаратно-программные комплексы, результат работы которых зависит от слаженной работы команды инженеров и, конечно, ученых.

Конкретные проекты крупных солнечных телескопов зародились в 80-х годах прошлого столетия. В СССР эту работу возглавлял наш институт под руководством члена-корреспондента академии наук Владимира Евгеньевича Степанова. Аналогичные проекты были в Европе и США. С реализацией было сложнее, во всех странах возникали те или иные проблемы, но работа не прекращалась. Наибольшего прогресса добились здесь в США. Финансирование на него было выделено в 2000-х годах, к 2009-му закончили готовить проектную документацию, а в 2021-м — завершили строительство.

Судьба остальных проектов в мире оказалась сложнее. Так, работа над Европейским солнечным телескопом до сих пор продолжается, но осложняется финансовыми проблемами. Вдобавок недавно стало известно, что ведущий институт в Германии по этому проекту вообще собираются закрыть! Российский проект крупного солнечного телескопа вошел в активную фазу финансирования в 2013 году. К концу 2021-го была разработана проектная документация. В этом году началась фаза строительства, которая должна закончиться к 2030 году. Телескоп будет построен в Саянской солнечной обсерватории (ИСЗФ СО РАН). В обсерватории существует ряд солнечных телескопов прошлого поколения, а также современные телескопы для ночных наблюдений.

В чем отличие солнечного телескопа?

Солнечный телескоп, конечно же, работает на тех же физических принципах, что и любой другой. Задача телескопа — собрать свет от объекта наблюдения и, в простом случае, сфокусировать его на приемнике излучения. В данном случае объект наблюдения — Солнце — обуславливает существенные отличия в конструкции. Главное отличие любого солнечного телескопа от ночного — это большое количество энергии, которое попадает в оптическую систему телескопа.

Любому школьнику известно, как с помощью небольшой линзы и солнечного света можно что-нибудь поджечь. Представьте, что вместо небольшой линзы у вас трехметровое зеркало. В оптической системе оказываются киловатты тепловой энергии. Больше зеркало — больше тепла. Без специальных мер нагрев конструкции телескопа привел бы к пожару. Но это далеко не главная проблема. Нагрев воздуха вокруг оптической системы приведет к тому, что телескоп не даст четкого изображения. На техническом языке параметр четкости называют угловым разрешением. В то же время для лучшего разрешения нужно еще большее зеркало! Разумеется, все эти задачи решаемы, но во многом они определяют сложность системы в целом.

А для чего понадобился такой большой солнечный телескоп?

Современная физика Солнца — очень динамично развивающаяся область науки. Взрывной рост новых знаний дали наблюдения с космических обсерваторий. Тем не менее сегодня практика их применения упирается в такие же ограничения, что и наземная астрономия — максимальный диаметр апертуры телескопа. Крупное зеркало телескопа позволяет подступиться к двум принципиально новым типам экспериментальных задач. Во-первых, это одновременное наблюдение нескольких слоев солнечной атмосферы. Во-вторых, это изучение тонкой структуры атмосферы, для чего нужно высокое угловое разрешение. Однако даже в случае крупного телескопа речь идет о некоторых компромиссах. На первый взгляд это может показаться парадоксальным, но даже крупный телескоп собирает слишком мало солнечного света для научной задачи! Света катастрофически не хватает, и приходится беречь каждый фотон! В этом солнечная астрофизика ничем не отличается от ночной.

Крупный солнечный телескоп может «видеть» сравнительно небольшую область на Солнце — пару угловых минут (при том, что угловой размер Солнца и Луны около 30 угловых минут!). Можно сказать, что крупный солнечный телескоп рассматривает Солнце в замочную скважину. Этим он отличается от ночных телескопов, поле зрение которых намного шире.

Однако ночные телескопы имеют куда большее время экспозиции, для получения изображения они могут собирать свет часами. В случае с Солнцем нас это не устраивает. Во многих задачах время экспозиции не должно превосходить секунды или десятки секунд, поскольку плазма находится в движении, и уже через минуту измеряемые параметры могут поменяться. Представьте, ночью вы, стоя на обочине дороги, хотите разглядеть номер машины, несущейся со скоростью 150 км/ч с включенными фарами. Аналогично на Солнце те места, которые нужно увидеть, вовсе не такие заметные, как хотелось бы.

Ну и еще один важный момент. Для решения физических задач недостаточно иметь изображение Солнца. Сам телескоп — это лишь половина истории. Свет поступает в приборы для спектрального анализа. Цель этого анализа не просто наблюдение, а измерение различных физических величин. Сегодня мы нуждаемся в измерениях магнитных полей и скорости движения плазмы по всей толще солнечной атмосферы. Их точность прямо зависит от количества света, собираемого телескопом. У прошлых поколений телескопов света хватало на плоскую картинку. Они позволяли наблюдать преимущественно самый яркий слой — фотосферу. Конечно, подстраивая инструмент под нужную длину волны света, можно было заглянуть и в другие слои. Но только заглянуть — для хороших измерений света было недостаточно. Да, это позволило многое узнать о структуре солнечной атмосферы. Но хочется большего. Солнечная атмосфера — это кипящий котел, где каждое мгновение что-то меняется. Очевидно, нужно иметь трехмерную картину изучаемых физических явлений. Крупные солнечные телескопы дают принципиальную возможность этого достичь.

Какие именно новые исследования ученые смогут вести на этом оборудовании?

Ученые ждут, что крупные телескопы поднимут на новый уровень исследования по пониманию природы магнитных полей и цикла солнечной активности, дадут новые возможности по изучению магнитной неустойчивости, физики солнечных вспышек и корональных выбросов массы. За этими словами скрываются десятки конкретных экспериментальных задач, которые уже буквально выстроились в очередь, пока в мире отсутствует оборудование для их решения.

Солнце — особая лаборатория для исследований процессов взаимодействия плазмы и электромагнитных полей. Нигде более наблюдаемые условия не могут быть воспроизведены: ни в эксперименте, ни в текущих модельных вычислениях. Стоит добавить, что Солнце — это единственная звезда, атмосферу которой мы сегодня можем изучать как пространственный объект, а не как точку на небе. Физические явления на других звездах имеют аналоги и на Солнце. От прогресса в физике Солнца зависит наше понимание физических процессов в космосе.

То есть мы сможем лучше понять, как работают звезды?

Определенно мы получим новые знания о том, как генерируется магнитное поле на Солнце. Эти знания, в свою очередь, повлияют на понимание механизмов, лежащих в основе цикличности солнечной активности, и появления солнечных пятен как манифестации этой активности.

Большой диаметр зеркала телескопа позволит получить новые знания о структуре атмосферы и процессах, происходящих в ней на масштабах менее 70 км. В первую очередь речь идет о тонкой структуре магнитных полей. Большая часть знаний на сегодня получена о масштабах порядка 700 км и более. Благодаря наблюдениям в ближнем инфракрасном диапазоне спектра мы узнаем, как формируются активные области и солнечные пятна в самых глубоких слоях солнечной атмосферы. Наблюдение различных вариантов взаимодействия волн и магнитного поля с высоким временным разрешением даст новые знания не только в области астрофизики, но и физики плазмы. Волны могут играть решающую роль в нагреве солнечной короны — причины этого явления до сих пор достоверно не установлены.

Особенно ценной будет возможность узнать много нового о солнечных вспышках и других процессах энерговыделения. Трехмерная картина с телескопа позволит определить причины возникновения солнечных вспышек, корональных выбросов массы и эрупции протуберанцев. Скорее всего, ключ к пониманию лежит в каком-то механизме потери равновесия в конфигурации магнитного поля. Новые знания дадут ответ на вопрос, почему в одних случаях это приводит к взрывному высвобождению энергии, а в других — нет. Все это окажется полезными как для понимания устройства звезд-двойников Солнца, так и понимания физики, лежащей в основе «работы» любой другой звезды.

С точки зрения фундаментальной науки, это, несомненно, откроет новые горизонты неизвестного и поставит перед учеными еще более сложные вопросы мироздания. Для этого инженеры и конструкторы разработают еще более изощренные механизмы и приборы. Сложные телескопы задают верхнюю планку требований для развития различных технологий, от чего, так или иначе, будет польза и остальному человечеству.

Фундаментальные знания на то и фундаментальные, что именно они формируют основу для прикладной науки. Одна из таких практических задач — это прогноз солнечной активности. Попытки ее решения сегодня опираются по большей мере на статистические зависимости и корреляционные связи. Возраст Солнца — порядка 4.5 миллиардов лет. Солнечную цикличность человечество, по существу, изучает не так давно — на протяжении трех последних столетий. Измерения магнитных полей в пятнах начались порядка 100 лет назад. Серьезные инструментальные исследования — 60 лет назад. Это всего 5-6 циклов! С точки зрения статистики, этого явно недостаточно. Для прогноза, основанного на понимании физических механизмов солнечной активности и магнетизма, нужны соответствующие модели. Эти модели и будут тем фундаментальным результатом, который в конечном счете дадут крупные солнечные телескопы. В свою очередь, прогноз солнечной активности — это та основа, с которой начинается прогноз явлений так называемой космической погоды, без которого вряд ли возможно освоение других планет человеком. Связь космической погоды и климата на Земле — это вопросы будущих исследований. Создаваемый телескоп входит в Национальный гелиогеофизический комплекс РАН, который как раз предназначен для исследования солнечно-земных связей.

Новый телескоп смогут использовать только ученые из Сибири, или из других регионов тоже? Скажем, из Петербурга?

Сегодня в нашей стране очень тяжелая ситуация с экспериментальной базой для астрофизических исследований. Практически все крупные телескопы были построены во времена СССР и модернизировались с тех пор не один раз. Ресурс инструментов подходит к концу. Ученые продолжают решать с их помощью ряд важных задач, но все понимают, что для существования в России астрономии как науки необходимы новые инструменты. Создание и эксплуатация научных установок такого класса — задача национального масштаба.

В Петербурге, Москве и в других городах, безусловно, есть организации и астрономы, ведущие исследования на весьма высоком уровне. Проект открывает для них не только новые возможности по изучению космоса, но и по разработке новых уникальных приборов, оптических систем, электронного и механического оборудования, систем получения и обработки больших массивов данных, машинного обучения и машинного зрения, а также по работе в других направлениях. Эта работа требует от ученого быть на переднем крае науки. Таким образом, само создание телескопа существенно скажется на развитии как фундаментальной, так и прикладной науки.

С вводом в эксплуатацию телескоп позволит проводить исследования, которые будут иметь значение на мировом уровне. Практика показывает, что успех такой работы во многом определяется кооперацией многих коллективов, ученых и инженеров. Поэтому, конечно, телескоп будет использоваться для совместных исследований. Для конкретного ученого — это отличная возможность роста и путь стать полезным и востребованным здесь, в России. С другой стороны, уровень исследований позволит российским ученым участвовать в еще более крупных международных проектах на паритетных началах. Это самым положительным образом скажется на репутации нашей страны и наших возможностях освоения космического пространства.