• Город
  • Наука и образование
Наука и образование

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

В августе стало известно, что рядом с Байкалом начинается строительство солнечного телескопа, который должен стать крупнейшим в Евразии. Новый инструмент станет частью будущего Национального гелиогеофизического комплекса. Когда телескоп начнет работу? Что с его помощью смогут узнать ученые? И почему использование таких инструментов сравнивают с подглядыванием за Солнцем в замочную скважину? На все эти вопросы «Собака.ru» ответил заведующий Лабораторией экспериментальной физики Солнца и астрофизического приборостроения Института солнечно-земной физики Дмитрий Колобов.

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.


«Романтическая эпоха, когда один человек смотрел в окуляр телескопа, давно прошла»

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.

Armagadon / Shutterstock

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.


«Крупный солнечный телескоп рассматривает Солнце в замочную скважину»

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.

PhotoGraph-ic / Shutterstock

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.


«Без прогноза явлений космической погоды вряд ли возможно освоение других планет человеком»

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.

Комментарии (0)

Купить журнал:

Выберите проект: