О термоядерных и других процессах на Солнце. Открытия советских астрофизиков

Тысячелетиями люди завороженно смотрели на Солнце, удаленное от Земли на 150 млн. км. С ним связывались верования и легенды, ему посвящались песни, поэмы и трактаты. Но лишь в наше время с помощью новейших научно-технических средств удалось проникнуть во многие тайны этой ближайшей к Земле звезды. Солнце движет воздушные массы, от него зависят климат и погода. Оно заставляет воды океана испаряться, а затем выпадать в виде дождя. Оно кормит нас, ибо солнечный свет поглощают растения.

Солнце - одна из 100 млрд. звезд Млечного Пути. В Солнце могло бы поместиться 1300 тыс. таких планет, как паша Земля. Мощность Солнца потрясает воображение. За одну секунду это светило излучает больше энергии, чем ее потребили люди с начала своей цивилизации. Всего только за три дня Солнце приносит нам столько тепла и света, сколько можно было бы получить, если сжечь все земные запасы газа, нефти, угля и все леса на Земле. И тем не менее Земля получает только около одной двухмиллиардной доли энергии, излучаемой Солнцем в космическое пространство.

По предложенному советским физиком академиком Бруно Понтекорво нейтринному методу американский ученый Деви установил, что в ядре Солнца, на глубине примерно 700 тыс. км от его короны, температура плазмы равна приблизительно 16 млн. градусам, а давление - 100 млрд. ат. Хотя Солнце газообразное тело, плотность плазмы его ядра в 11,5 раза больше, чем плотность твердого свинца. Один американский ученый подсчитал, что булавочная головка из материала, нагретого до температуры солнечного ядра, выделяла бы достаточно тепла, чтобы убить человека с расстояния 160 км.

Ученые уже давно пришли к выводу, что Солнце не просто пылает, подобно гигантскому шару из каменного угля. Если бы там происходило обыкновенное химическое сгорание, оно сгорело бы за несколько тысяч лет и "превратилось в холодную золу. Астрофизики установили, что пожар в звездных недрах поддерживает ядерная энергия. Ни один из других известных людям процессов не мог бы столь длительное время обеспечивать излучение энергии. Глубоко внутри Солнца вот уже 5 млрд. лет 564 млн. т водорода ежесекундно превращаются в 560 млн. т гелия. Остальные 4 млн. т переходят в энергию и излучаются в виде тепла и света в околосолнечное пространство.

При этом Солнцем излучается не только электромагнитная энергия (солнечный свет), но и нейтрино - частицы, лишенные массы и электрического заряда. Для ученых нейтрино - основной источник информации о составе и температуре солнечных недр. Нейтрино заставили некоторых астрофизиков поставить под сомнение термоядерную модель Солнца, так как в солнечных излучениях этих частиц оказалось в 5 раз меньше, чем должно быть согласно теории.

В связи с этим появились новые гипотезы об источниках солнечной энергии. Так, профессор Ленинградского физико-технического института имени А. Ф. Иоффе АН СССР Г. Е. Кочаров предположил, что водород не единственное и не главное горючее солнечного термоядерного котла. В модели Солнца, созданной Г. Е. Кочаровым, на эту роль претендует изотоп гелия - гелий-3. Такая гипотеза, по мнению автора, способна "оправдать" недостаток излучаемых Солнцем нейтрино. Новая модель Солнца в недалеком будущем пройдет проверку в лабораториях.

Многие ученые научно обосновывают теорию звездного "термояда". В 1976 г. академик А. Б. Северный с группой сотрудников Крымской астрофизической обсерватории завершил трехлетний цикл исследований строения Солнца. Было установлено неизвестное ранее явление пульсации Солнца. Период его "дыхания" 2 ч 20 мин, амплитуда колебаний около 10 км, скорость передвижения массы при пульсации 2 м/с.

"Мы, - говорит А. Б. Северный, - вели наблюдения с помощью башенного солнечного телескопа и включенных параллельно с ним специальных устройств - магнитографов, которые дали нам возможность с высокой точностью проследить изменения в движении масс, слагающих Солнце.

Открытие четких периодов пульсации Солнца, подтвержденное учеными Бирмингемского университета, которые вели наблюдения по другой методике, позволит вплотную подойти к проблеме изучения характера пульсаций. К сожалению, пока мы располагаем немногими гипотезами относительно этого характера, правда довольно оригинальными. Главный вопрос состоит в том, чтобы узнать, в каком направлении идут пульсации - от центра к краям или нерадиально. Если подтвердится гипотеза о последнем типе пульсаций, то придется пересмотреть многие существующие представления о Солнце, о его внутреннем строении, а также о механизме высвобождения солнечной энергии".

Данные о Солнце, получаемые наземными обсерваториями, сравниваются и дополняются ценной информацией, которую поставляют пилотируемые и автоматические космические летательные аппараты, позволившие выносить лаборатории на далекие орбиты, ставить эксперименты, немыслимые в земных условиях.

Например, орбитальная станция "Салют-4" оказалась форпостом для наблюдения далеких миров, изучения многих пока еще загадочных процессов в природе. О результатах исследований Солнца с помощью уникальной аппаратуры, установленной на "Салюте-4", рассказывает доктор физико-математических наук Н. В. Стешенко:

"Наземные методы позволяют наблюдать только сравнительно прохладные области нашего светила, а ученых интересуют и другие солнечные слои, температура которых лежит в интервале от десятков тысяч до миллионов градусов. Это относится как к флоккулам (возмущенные участки с повышенной температурой), так и к протуберанцам (районы выброса газов из солнечной поверхности).

Более 50 спектров флоккул и протуберанцев - научный багаж первой экспедиции на "Салют-4". Спектры очень четкие, на них хорошо прослеживаются линии ионизованных атомов азота, железа, других химических элементов. Щедрый "солнечный урожай" доставила вторая экспедиция на орбитальную станцию. На солнечном диске были зафиксированы яркие области, сопутствующие появлению вспышки. Получены уникальные снимки, которые помогут в решении актуальных проблем физики Солнца".

Не так давно большинство астрономов считало, что Солнечная система образовалась в результате близкого прохождения Солнца мимо другой звезды, грандиозная гравитационная сила которой оторвала от него куски вещества. Согласно новейшим взглядам, развиваемым, в частности, академиком В. А. Амбарцумяном и другими астрофизиками, Солнце и планеты сконденсировались из огромного турбулентного облака газа и пыли. Благодаря собственной громадной гравитационной энергии Солнце постепенно разогревалось. С течением времени эта протозвезда ярко засияла, и температура ее ядра поднялась до миллионов градусов. Водородные ядра, приводимые в движение огромной тепловой энергией, сталкивались с силой, при которой стала возможна реакция термоядерного синтеза, и уже не столько гравитационная, сколько ядерная энергия сделалась основой раскаленного состояния звезды.

За последние 5 млрд. лет содержание водорода в ядре Солнца сократилось с двух третей до одной. Температура вещества повысилась, и Солнце стало на 5% больше в диаметре и на 25% увеличило яркость. Большинство звезд следует этому направлению эволюции.

В настоящее время Солнце - это обычная желтая звезда, по уровню эволюционного развития находящаяся где-то посередине между самыми маленькими и крупными и самыми горячими голубыми и остывшими красными звездами. Земному наблюдателю Солнце кажется в 100 млрд. раз более ярким, чем любая другая звезда, хотя рядом с самыми яркими звездами Солнце выглядело бы весьма невзрачно. Звезда Ригель, например, в 15 тыс. раз более яркая, а в звезде Антарес, красном сверхгиганте, поместилось бы 36 млн. Солнц.

Сгорит ли Солнце? Эволюция его развития такова, что со временем его ядро исчерпает свой водород. Когда это произойдет, предполагают ученые, термоядерные реакции распространятся на внешние области, где еще существует неиспользованный водород.

По мере того как зона реакций будет перемещаться ближе к поверхности Солнца, громадная ядерная температура его глубин тоже будет продвигаться наружу, заставляя его расширяться. Общий объем излучаемого тепла и света увеличится. Солнце станет гигантской красной звездой, подобной Антаресу. Предполагают, что оно раздуется в чудовищный шар предельно разреженного, раскаленного докрасна газа, достаточно большой для того, чтобы поглотить Меркурий, Венеру, Землю и Марс - четыре ближайшие к нему планеты. На это может уйти еще 5 млрд. лет.

Когда весь водород обратится в гелий, Солнце, как мы уже говорили, остынет и сожмется, став "белым карликом", не большим, чем Земля. Кубический сантиметр его вещества будет весить несколько тонн.

Ученые считают, что не все звезды доживают до столь мирной кончины. Гораздо более массивные, чем Солнце, звезды завершают свою эволюцию катастрофическим взрывом, наполняющим просторные области Вселенной потоками вещества, со временем сгущающегося в новые звезды. Наше Солнце, как доказывают астрофизики, - звезда второго поколения. Об этом свидетельствует то, что оно содержит большое количество тяжелых элементов, таких, как железо, которые не могли возникнуть при простом ядерном сгорании водорода, этого первородного материала Вселенной.

С точки зрения атомной физики ядерный синтез на Солнце идет в замедленном темпе. Некоторые ученые считают, что Солнце можно сравнить с очень медленно сгорающей водородной бомбой - ведь для столкновения и слияния двух водородных ядер там требуется в среднем около миллиона лет.

Радиоастрономия, которая родилась всего около 40 лет назад, дала науке еще одно эффективное средство изучения Вселенной, и в частности верхних слоев солнечной атмосферы.

В 1957-1958 гг., во время Международного геофизического года, ученые мира исследовали Солнце и Землю в условиях максимальной солнечной активности. В 1964 и 1965 гг., во время Международного года спокойного Солнца, оно исследовалось в противоположных условиях. Солнечная деятельность изменяется от активной к спокойной и снова к активной со средней цикличностью в 11 лет.

Ученые считают, что в "ядерной топке" Солнца фантастически горячий плотный газ черен как смоль, так как там действуют невидимые рентгеновские лучи, получающиеся в результате ядерных реакций. Путь рентгеновского луча, пробивающегося из сердцевины Солнца, зигзагообразен. Хотя он движется со скоростью света, равной 300 тыс. км/с, он доходит до поверхности Солнца почти за 20 тыс. лет. В течение этого срока рентгеновский луч постепенно изменяется. После каждого отклонения частота его колебаний уменьшается, а длина волны увеличивается. Со временем все рентгеновские лучи Солнца o превращаются в ультрафиолетовые и видимые.

На расстоянии четверти радиуса от поверхности Солнца солнечная масса охлаждается до 150 тыс. градусов. Плотность ее падает до ОД плотности воды. На расстоянии 170 тыс. км от поверхности Солнца солнечный газ начинает участвовать в конвективном движении, словно кипящая вода. Энергия передается в сторону поверхности турбулентными потоками горячего газа. Массы газа вовлекаются в хаотические перемещения, при этом каждый атом переносит запасенную им энергию. Наконец энергия, рожденная в недрах Солнца, достигает его поверхности. Здесь, в фотосфере, она снова преобразуется в излучение, которое уходит в космическое пространство.

Проанализировав спектральный состав солнечного света, долетевшего до нас с расстояния 150 млн. км, можно сказать, из чего "сделано" Солнце. В 1914 г. при спектральном анализе на Солнце было опознано около 70 из 92 химических элементов, встречающихся на Земле. За исключением огромного преобладания водорода и гелия, химический состав солнечного вещества существенно не отличается от состава земной коры.

С помощью коронографического телескопа, искусственно затемняющего солнечный диск, в солнечной короне можно наблюдать громадные столбы светящегося газа, часто вздымающиеся на сотни тысяч километров и снова погружающиеся в фотосферу. Солнечная корона - это не статичная атмосфера, окутывающая Солнце, подобно атмосфере Земли. Отсюда берет начало солнечный ветер, который дует в пространстве неизменно по направлению к Земле и к другим планетам.

Когда астрономы наблюдают Солнце в солнечный телескоп, край его кажется резко очерченным, как будто оно имеет отчетливо выраженную поверхность. В действительности эта кажущаяся поверхность - прозрачный, очень ярко светящийся слой газа толщиной около 300 км, так называемая фотосфера, о которой мы уже упоминали. Именно отсюда излучается большая часть света, получаемого нами от Солнца. На дне фотосферы газ настолько непрозрачен, что свет из глубин не может прорваться сквозь него. Таким образом, фотосфера - это тонкая яркая оболочка, окружающая солнечный шар, подобно тому как шелуха облегает луковицу. Снаружи этой оболочки располагаются две другие - область, где вспыхивают пламенные языки раскаленного газа, называемая хромосферой, и почти бескрайняя верхняя атмосфера - уже знакомая нам солнечная корона.

С поверхности Земли с помощью приборов можно непосредственно "видеть" только эти три слоя. В наземных обсерваториях регистрируются видимый свет, инфракрасное излучение и радиоволны. Приборы, установленные на спутниках и космических ракетах, кроме того, позволяют регистрировать ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. О том, что происходит в солнечных недрах, ученым приходится судить на основе тех явлений, которые разыгрываются в этих трех внешних слоях.

Наблюдаемые на Солнце пятна по форме напоминают воронку глубиной 600-800 км. В темной, центральной области пятна температура понижается до 4200°, тогда как температура окружающей его фотосферы равна 5700°. Наблюдая пятна, ученые установили, что Солнце вращается с востока на запад. Вращение это очень своеобразное. В отличие от твердой Земли Солнце вращается в разных широтах неодинаково: экваториальные области движутся быстрее, чем полярные. Этим в какой-то мере объясняется изменение конфигурации различных образований, возникающих на поверхности Солнца. Иногда в спокойные периоды она месяцами остается чистой. А во время максимума солнечной активности, как, например, в 1957 г., на Солнце появляется одновременно до 25 пятен.

Одно из самых давних косвенных свидетельств циклического характера солнечной активности - наблюдения за полярными сияниями, возникающими в результате бомбардировки верхней атмосферы солнечными лучами. В отличие от магнитных явлений (а они тоже результат повышенной активности Солнца), которые можно обнаружить только с помощью трнких инструментов, сполохи полярных сияний прекрасно видны. По полярным сияниям ученые па протяжении двух тысячелетий наблюдали повторяемость одиннадцатилетних циклов солнечной активности. С помощью спектроскопов были получены магнитные характеристики солнечных пятен. Оказалось, что напряженность магнитных полей там колоссальна. Магнитные поля солнечных пятен покрывают поверхность, равную удесятеренной поверхности земного шара. Понятно, что ими удерживается львиная доля энергии солнечной атмосферы.

Солнечные пятна, хромосферные факелы, протуберанцы - все эти впечатляющие следы процессов, идущих на Солнце, меркнут, если их сравнить с гигантскими взрывами, которые получили название солнечных вспышек. В период спокойного Солнца случается одна-две вспышки в году, а во время максимальной солнечной активности - десятки тысяч вспышек. Крупная вспышка - это колоссальное, длящееся около часа извержение, по мощи подобное взрыву миллиарда водородных бомб. Энергии, выделяющейся в ходе этого грозного явления, хватило бы для того, чтобы расплавить весь лед Арктики и Антарктиды. Она высвобождается в виде световых и всех других электромагнитных излучений - от рентгеновских и ультрафиолетовых лучей до инфракрасных лучей и радиоволн - и, кроме того, в виде протонов и электронов, разогнанных до скоростей, превышающих 150 тыс. км/с, и облаков ионизированного газа, движущихся со скоростью сотен километров в секунду.

С солнечными пятнами, со вспышками на Солнце связывают не только безопасность космических полетов. Предполагают, что этими явлениями объясняются погода, урожаи, число инфарктов, эпидемии и т. п. Разгадка тайн процессов, происходящих на Солнце, имеет самое непосредственное значение для Земли. Открыв законы жизни Солнца, люди научатся направлять его разрушительные силы на благо человечества.

"Исследованию природы Солнца современными физическими методами в моменты затмений, - рассказывает директор Абастуманской астрофизической обсерватории академик АН Грузинской ССР Е. К. Харадзе, - положено начало еще в середине прошлого века. Тогда было установлено, что хромосфера и корона - образования, непосредственно видимые лишь в немногие минуты полных затмений Солнца, - составляют внешний слой его атмосферы.

С тех пор стали снаряжать специальные экспедиции в районы, где проходили полосы полных затмений, ибо в каждом пункте земного шара такое событие случается весьма редко, в среднем один раз в 200-300 лет. Так, за восемь с лишним веков существования Москвы ее жители видели полное затмение всего 5 раз, а следующее произойдет здесь не раньше 2126 г. В Лондоне с 1140 по 1715 г., т. е. за 575 лет, не отмечено ни одного полного затмения. Впрочем, случаются исключения: в городе Кзыл-Орде Казахской ССР в 40-х гг. нынешнего столетия солнечные затмения наблюдали дважды за четыре года. Со всей же поверхности нашей планеты за столетие можно видеть около 240 полных и частичных солнечных затмений. Одна из главных целей научных наблюдений полных солнечных затмений - исследование строения и физических параметров солнечной короны".

19 июля 1975 г. в ходе совместного советско-американского научного эксперимента на космических кораблях "Союз-19" и "Аполлон" осуществлено впервые в истории человечества искусственное солнечное затмение. Оно было сфотографировано с борта советского космического корабля. В первый раз была реализована возможность экспериментальной проверки принципиально новой методики исследования солнечной короны и свойств среды, непосредственно окружающей космический корабль.

Советские ученые сделали ряд важных открытий в области физики Солнца.

Явление радиоизлучения солнечной короны

Еще на заре развития радиотехники, в конце прошлого века, некоторые ученые предполагали, что Солнце может излучать радиоволны. Но доказать это практически было невозможно из-за отсутствия необходимых радиотехнических средств.

В 1942 г., в период второй мировой войны, используя военную радиолокационную технику, удалось случайно зафиксировать мощное радиоизлучение, идущее от Солнца на волнах от 4 до 6 м. Чтобы понять, какие процессы на Солнце вызывают радиоизлучение, нужно было знать, где скрываются его источники. Раскрыть эту тайну было исключительно важно в связи с тем, что различные процессы на Солнце, как уже говорилось, имеют прямую связь с явлениями в земной атмосфере.

Узнать, где расположены источники радиоизлучения, оказалось непросто. Радиоприемные станции принимали радиоизлучение от всего Солнца, а не от отдельных его участков. В 40-х гг. советский ученый Н. Д. Папалекси предложил наблюдать за изменением мощности радиоизлучения Солнца во время солнечного затмения. Он доказал, что по мере закрытия Солнца Луною будут закрываться и источники радиоизлучения, а по окончании затмения все пойдет в обратном направлении.

Сопоставляя картины радио- и оптического затмений Солнца, можно узнать, на каких участках Солнца находятся источники радиоизлучения. С этой целью была организована экспедиция Академии наук СССР для наблюдения полного солнечного затмения, приходящегося на 20 мая 1947 г. Следует заметить, что полное солнечное затмение наблюдается на поверхности Земли в длинной полосе шириною около 100 км.

На теплоходе "Грибоедов" экспедиция была доставлена в Бразилию, и советские ученые профессор С. Э. Хайкин и кандидат физико-математических наук Б. М. Чихачев, не высаживаясь на берег, наблюдали радиоизлучение Солнца. Аппаратура позволяла исследователям принимать радиоволны длиной 1,5 м. По мере продвижения Солнца по небу антенну необходимо было поворачивать вокруг горизонтальной оси с помощью специальных устройств, а для того чтобы она вращалась вокруг вертикальной оси, пришлось с помощью особых якорей и тросов повертывать теплоход.

Наблюдение радиоизлучения Солнца продолжалось в течение трех часов. Энергия радиоволн, излучаемых Солнцем, поступала в радиоприемник, где усиливалась настолько, что имела характер шумов, которые можно было слышать через громкоговоритель, а ее величина могла быть записана по показаниям электроизмерительного прибора, подключенного к выходу радиоприемника.

Когда Луна закрыла Солнце, мощность этих шумов уменьшилась, когда же Солнце показалось снова - увеличилась. Но самым важным результатом наблюдения явилось следующее. Когда Луна полностью закрыла Солнце и на пять минут наступила тьма, слегка рассеиваемая лишь светом звезд и солнечной короной, величина мощности радиоизлучения Солнца уменьшилась лишь до 40% и больше уже не уменьшалась. Следует заметить, что в тот день взаимное расположение Солнца, Луны и Земли было таково, что видимый с Земли диск Луны был на 5% больше видимого диска Солнца. Поэтому во время полной фазы затмения закрытым оказался не только яркий солнечный диск - фотосфера, но и прилегающий к нему слой высотою 20 тыс. км - хромосфера (радиус Солнца равен 700 тыс. км). Незакрытой осталась только солнечная корона. Стало ясно, что радиоизлучение исходит из солнечной короны.

Авторы этого важного открытия Н. Д. Папалекси, С. Э. Хайкин и Б. М. Чихачев (Физический институт имени П. Н. Лебедева АН СССР) установили, что те 60% мощности радиоизлучения Солнца, на которые оно уменьшилось во время полной фазы затмения, также исходят из солнечной короны, но лишь из той ее, закрытой Луной, части, которая располагается над Солнцем и направлена в сторону Земли. Они подсчитали высоту над фотосферой тех слоев солнечной короны, из которых исходило радиоизлучение. Эта высота равна 0,35 радиуса Солнца. Значит, радиоволны излучают те слои солнечной короны, которые находятся на высоте около 250 тыс. км над фотосферой.

Оказалось, что изменение мощности радиоизлучения Солнца вполне соответствует закрытию и последующему появлению тех областей на Солнце, в которых расположены солнечные пятна, волокна, протуберанцы и другие активные образования, наблюдаемые в видимом свете. Следовательно, радиоизлучающие области в короке Солнца связаны с этими активными образованиями.

В последующие годы открытие радиоизлучения солнечной короны было многократно подтверждено наблюдениями ученых разных стран. Из теории следовало, что радиоизлучающие слои солнечной короны должны быть расположены тем выше над фотосферой, чем больше длина волны радиоизлучения. Этот вывод был подтвержден при наблюдении полного солнечного затмения 28 февраля 1952 г. близ Ашхабада Б. М. Чихачевым и доктором физико-математических наук В. В. Виткевичем. Очень далекие от фотосферы слои солнечной короны должны излучать очень длинные радиоволны, но принять их на Земле невозможно, потому то они отражаются от верхних слоев земной атмосферы, называемых ионосферой, и уходят в космическое пространство.

Открытие явления радиоизлучения солнечной короны зарегистрировано под № 81 с приоритетом от 28 октября 1947 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление, заключающееся в том, что источником излучаемых Солнцем радиоволн во внешнее пространство является солнечная корона, причем наиболее интенсивно излучающие области короны соответствуют оптически активным областям фотосферы Солнца".

Сверхкорона Солнца

Дальнейшие исследования показали, что очень далекие слои солнечной короны активно воздействуют на более короткие - метрового диапазона - радиоволны, вызывая их рассеяние и искривление их пути (рефракцию). Это было установлено В. В. Виткевичем (Физический институт имени П. Н. Лебедева АН СССР) и явилось основой открытия сверхкороны Солнца, т. е. той части солнечной короны, которая расположена дальше от Солнца, чем часть солнечной короны, видимая с Земли во время полного солнечного затмения. Сверхкорона Солнца находится на расстоянии 10-20 радиусов от центра Солнца и состоит из различных электронных неоднород-ностей (плазмы), которые создают рассеяние, рефракцию и изменяют амплитуду проходящих через них радиоволн.

В. В. Виткевич установил, что сверхкорона Солнца включает в себя орбиту Меркурия. Позднее им же было доказано, что она простирается до Земли и уходит за нее, постепенно переходя в межпланетную плазму. На Крымской радиоастрономической станции Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР было обнаружено, что, проходя через неоднородные плазмы, составляющие сверхкорону, радиоволны далеких галактик рассеиваются, а в некоторых случаях "мерцают". Это и дало возможность обнаружить следы сверхкороны в околоземной среде, составить представление о размерах плазменных облаков и о концентрации в них частиц плазмы.

Автор открытия определил, что электронные неоднородности изменяют свою интенсивность в соответствии с ходом фазы одиннадцатилетнего цикла солн-ечной активности, что свидетельствует об их солнечной природе. Созданный В. В. Виткевичем метод исследования солнечного ветра - новое научное направление, возникшее на основе его открытий. С открытием сверхкороны Солнца стало возможно узнавать размеры дискретных источников радиоизлучения со сверхвысоким разрешением - порядка одной угловой секунды. При исследованиях используются мерцания радиоисточников на неоднородно-стях межпланетной плазмы. Открытие имеет огромное практическое значение, так как дает новое представление о распространении радиоволн метрового диапазона в межпланетной среде.

Описанное открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 11 с приоритетом по отдельным пунктам открытия от 11 ноября 1954 г. и от 7 марта 1957 г. Формула открытия дана в следующей редакции:

"Установлено, что на расстоянии 10-20 R₀ от центра Солнца существует окружающая солнечную корону ранее неизвестная сверхкорона Солнца, состоящая из различных электронных неоднородностей, создающих рассеяние, рефракцию и изменение амплитуды проходящих через них радиоволн метрового диапазона.

Обнаруженные электронные неоднородности изменяют свою интенсивность в соответствии с ходом фазы 11-летнего цикла солнечной активности, что свидетельствует об их солнечной природе".

Магнитные поля в околосолнечном пространстве

Многочисленные открытия и исследования свидетельствуют о том, что магнетизм - одно из универсальных свойств движущейся материи. Он свойствен как мельчайшим частицам материи - электронам, протонам и нейтронам, так и планетам, звездам, галактикам. Земля и Солнце - огромные магниты.

Ученые считают, что в межгалактическом пространстве есть магнитные поля, благодаря которым галактики в течение миллиардов лет сохраняют свою форму. Например, наша Галактика в некоторой своей части вращается как единое целое, не распадаясь.

Существование магнитного поля у Земли ученые установили примерно 300 лет назад, а у Солнца - всего полвека назад. Сравнительно недавно советские астрофизики экспериментально подтвердили существование магнитных полей в околосолнечном пространстве.

Одна из важных проблем, стоящих перед современной наукой, - выяснение физических условий в межпланетной среде, непосредственно окружающей Солнце. Еще в 1951 г. доктор физико-математических наук В. В. Виткевич предложил качественно новый метод радиоастрономических исследований околосолнечного пространства, основанный на следующих соображениях. В течение года Солнце меняет свое положение среди созвездий, проходя по небу замкнутый путь. Он всегда один и тот же и лежит среди так называемых зодиакальных созвездий. В одном из них, в Тельце, находится яркий источник радиоизлучения - Крабовидная туманность. Каждый год в июне Солнце оказывается в непосредственной близости от Крабовидной туманности. При этом внешние слои солнечной атмосферы покрывают источник радиоизлучения. Что при этом происходит? Радиоволны, идущие от Крабовидной туманности, проходя через среду солнечной атмосферы, испытывают рассеяние, величина которого пропорциональна плотности и степени неоднородности рассеивающей среды. Степень рассеяния зависит и от длины волны радиоизлучения. Рассеяние становится заметным только в метровом диапазоне длин волн, в котором и ведутся наблюдения.

Как источник радиоизлучения Крабовидная туманность представляет собой яркий объект небольших угловых размеров (диаметр радиопятнышка всего 5 угловых минут). Когда Крабовидная туманность находится в наибольшей близости к Солнцу, т. е. когда ее покрывают более плотные слои вещества, видимые размеры источника из-за рассеяния увеличиваются. Пятнышко Крабовидной туманности как бы разбухает и увеличивается почти втрое.

Произведя соответствующие расчеты, можно сделать выводы о плотности областей солнечной атмосферы, лежащих на пути радиоизлучения туманности. Заметное рассеяние радиоволн можно наблюдать, когда Крабовидная туманность находится на небе на очень больших угловых расстояниях от Солнца - примерно 10 градусов. При таких условиях, например, В. В. Виткевичем была открыта сверхкорона Солнца.

Наблюдения, проведенные доктором физико-математических наук В. В. Виткевичем (Физический институт имени П. Н. Лебедева АН СССР) и кандидатом физико-математических наук Б. Н. Пановкиным (Научный совет АН СССР по проблеме "Радиоастрономия") на Серпуховской радиоастрономической станции Физического института имени П. Н. Лебедева АН СССР в июне 1957 г., показали, что форма рассеянного изображения Крабо-видной туманности не является круглой, а представляет собой вытянутый эллипс, ориентированный определенным образом по отношению к радиусу Солнца. Таким образом, было обнаружено, что рассеяние радиоволн в сверхкороне Солнца неодинаково по направлениям, т. е. существует анизотропия рассеяния радиоволн в веществе сверхкороны. Все это свидетельствует о том, что вещество сверхкороны Солнца собрано в отдельные, очень сильно вытянутые примерно в радиальном направлении от Солнца облака разреженного газа. Эти неоднородности довольно устойчивы и регулярны.

С точки зрения физики сверхкорона Солнца представляет собой сильно разреженную высокотемпературную плазму. Исходя из физических свойств этого вещества, известно, что неоднородности, вызывающие обнаруженное рассеяние, могут быть сформированы только с помощью соответствующего регулярного магнитного поля, когда заряженные частицы среды движутся вдоль магнитных силовых линий, образуя длинные вытянутые лучи. Так советские ученые открыли ранее неизвестное явление в сверхкороне Солнца -.обнаружили в зоне, непосредственно прилегающей к Солнцу, регулярные магнитные поля примерно радиального направления.

Магнитные поля в околосолнечном пространстве невелики по напряженности, однако в связи с общей разреженностью вещества они существенным образом влияют на динамику физических процессов, протекающих в этой области космического пространства. Дальнейшие более подробные радиоастрономические исследования, проведенные в СССР, Англии и других странах, подтвердили результаты, полученные авторами открытия в 1957 г. Выяснилось, что регулярные магнитные поля присутствуют в околосолнечном пространстве на больших расстояниях от поверхности Солнца и фактически пронизывают все межпланетное пространство до земной орбиты.

Наличие регулярных магнитных полей между Солнцем и Землей впоследствии было доказан?) изучением характера распространения быстродвижущихся активных частиц - корпускул, которые "выстреливаются" из Солнца и, пролетев от Солнца до Земли, вызывают в земной атмосфере такие явления, как полярные сияния, магнитные бури и т. п. С помощью космических аппаратов были проведены непосредственные измерения магнитного поля в межпланетной среде. Данные этих измерений совпадают с результатами, полученными авторами открытия.

В настоящее время факт существования регулярных магнитных полей в околосолнечном пространстве является общепризнанным. Он прочно вошел в сокровищницу наших знаний о космосе.

Каково практическое значение открытия? Для полетов космических кораблей с экипажем на борту очень важно знать "погоду" в околосолнечном пространстве, располагать сведениями о том, от каких причин зависит уровень жесткой (т. с. очень энергичной) радиации в ближнем космосе. Физическое состояние вещества межпланетной плазмы зависит от многих причин, но прежде всего, конечно, от многообразной деятельности Солнца. Открытие радиоастрономических методов исследования околосолнечного пространства позволяет надеяться на то, что со временем можно будет прогнозировать физические условия в межпланетном пространстве.

Открытие В. В. Виткевича и Б. Н. Пановкина зарегистрировано под № 86 с приоритетом от июня 1957 г. Его авторам вручены дипломы со следующей формулой открытия:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление существования в сверхкороне Солнца регулярных магнитных полей, преимущественно радиального направления, приводящее к анизотропии рассеяния радиоволн на сформированных этими полями вытянутых неоднородностях плазмы сверхкороны".

Межпланетная пыль

В современных теориях происхождения планет Солнечной системы, как уже отмечалось, господствует мнение, что все они возникли из первоначальной (протопланетной) туманности, состоящей из пыли и газа. С этой точки зрения пыль, находящаяся в наше время между планетами, должна рассматриваться как некий остаток процесса образования планет. Многолетние астрономические наблюдения внешней солнечной короны, зодиакального света (т. е. рассеянного света в межпланетном пространстве) и метеоров позволили установить, что межпланетная пыль в основном концентрируется в плоскости эклиптики - той, в которой лежит орбита Земли и вблизи от которой расположены плоскости орбит всех планет.

Однако до последнего времени предполагалось, что пылевое вещество, кроме метеорного вещества в так называемых метеорных потоках, распределено в межпланетном пространстве так, что его плотность равномерно убывает в направлении от Солнца (во внешней солнечной короне и в планетной системе плотность пыли вблизи эклиптики одинакова на равных расстояниях от Солнца). Таким образом, целью исследований стало в основном определение средней плотности межпланетной пыли.

Утверждение, что пылевое вещество во внешней солнечной короне распределено более или менее равномерно, основывалось на оптических измерениях, проведенных с поверхности Земли и с самолетов, поднимавшихся до высоты 30 км во время полных солнечных затмений, в частности на измерениях с поверхности Земли яркости зодиакального света. Эти исследования проводились в СССР и за рубежом. Новые исследования межпланетной пыли с помощью ракет и космических зондов опровергли старое представление о равномерном ее распределении в межпланетном пространстве.

Во время полного солнечного затмения 15 февраля 1961 г. с помощью оптической аппаратуры (электрофотометра с прямоугольной щелью), установленной на сферическом жестко ориентированном в пространстве контейнере, доставленном ракетой в полосу полной тени, доктором физико-математических наук С. М. Полосковым и кандидатом физико-математических наук А. Е. Микировым (Институт прикладной геофизики Главного управления гидрометеослужбы при Совете Министров СССР) были проведены многочисленные измерения яркости внешней короны в интервале высот 60-102 км над поверхностью Земли. Эти исследования позволили впервые установить, что пылевое вещество в Солнечной системе распределено совсем не равномерно, а сосредоточено в основном в пылевых облаках (неоднородностях), вероятно, разных размеров.

Через несколько лет открытие С. М. Полоскова и А. Е. Микирова было подтверждено в СССР и США с помощью космических ракет. При этом использовалась другая методика (акустические датчики). Советские и американские ученые не только подтвердили вывод о неравномерном распределении межпланетной пыли, но и смогли установить примерные размеры пылевых облаков. Оказалось, что обнаруженные неоднородности имеют поперечник в пределах от нескольких десятков тысяч до нескольких миллионов километров.

Неравномерность распределения пылевой материи в межпланетном пространстве ученые объясняют прежде всего действием сил тяготения (гравитационных сил). Кроме того, в межпланетном пространстве, пронизанном нерегулярными магнитными полями и корпускулярными солнечными потоками, создаются ударные магнитно-гидродинамические волны, которые, в свою очередь, влияют на распределение пылевой материи.

Открытие С. М. Полоскова и А. Е. Микирова является существенным вкладом в теорию происхождения Солнечной системы. Оно имеет немаловажное значение для решения некоторых проблем межпланетных путешествий. Хотя метеорная опасность для космических кораблей и невелика, но' она реально существует. Достаточно указать, например, на то, что один из важных узлов американского космического корабля "Аполлон-11" был выведен из строя, как предполагают, ударом пылевой частицы. При дальнейшем развитии космонавтики, несомненно, должны учитываться неравномерность распределения межпланетной пыли в межпланетном пространстве и особенность движения пылевых облаков.

Описанное открытие зарегистрировано под № 60 с приоритетом от мая 1962 г. Оно сформулировано так:

"Экспериментально обнаружено ранее неизвестное свойство пылевой материи внешней короны Солнца, заключающееся в том, что в межпланетном (околосолнечном) пространстве на расстояниях от 2,5 до 14 градусов от Солнца пыль распределена неравномерно и образует неоднородности размером порядка 8 мин дуги".

Дальнейшая обработка экспериментальных данных, проведенная авторами открытия совместно с сотрудниками МГУ и отделения прикладной математики Тбилисского государственного университета, позволила установить, что размер неоднородностей может иметь значение от 6 до 24 мин дуги. В настоящее время работы по исследованию пылевого вещества в межпланетном пространстве и вблизи Земли продолжаются. Установлено влияние пылевого вещества на процессы, происходящие в верхней атмосфере Земли.

Шаг за шагом ученые раскрывают тайны сложных процессов, происходящих на Солнце и за его пределами. Летом 1970 г. в стратосферу в третий раз была запущена советская автоматическая солнечная обсерватория с самым большим в мире главным зеркалом телескопа. В ее создании участвовал большой коллектив ученых, конструкторов, инженеров и рабочих.

Директор Главной астрономической обсерватории в Пулкове член-корреспондент АН СССР В. А. Крат рассказывает: "Стратосферные обсерватории обладают важными преимуществами по сравнению с наземными. Прежде всего, на высотах, куда они поднимаются, почти нет водяного пара. Отсутствие его линий в видимом спектре позволило по спектрограммам, полученным во время первого и второго полета, установить, что в атмосфере Солнца практически нет тяжелого водорода - дейтерия. У нас на Земле с этим элементом связывается возможность использования его в качестве ядерного горючего, когда физикам удастся овладеть термоядерной реакцией. Существует ли вообще дейтерий на Солнце? Есть основания думать, что мощные электромагнитные взрывы на светиле - солнечные вспышки - способны, как считает академик А. Б. Северный, создавать дейтерий из водорода, которого на Солнце очень много. Если это так, то дейтерий может находиться в районе активных областей, вблизи солнечных пятен...

Другое преимущество стратосферных обсерваторий заключается в возможности получения снимков с наибольшим разрешением, близким к его теоретическому значению для оптики данного размера. При наблюдениях с поверхности Земли существует предел для качества изображений небесного светила, лучи которого проходят сквозь вечно волнующуюся и неоднородную земную атмосферу. В результате его изображение дрожит и размывается".

О советских стратосферных наблюдениях было доложено на XIV съезде Международного астрономического союза в Брайтоне (Англия) в 1970 г. Специалисты разных стран восхищались снимками, полученными во время третьего полета советской автоматической солнечной обсерватории. Создание большой солнечной стратосферной обсерватории - выдающееся достижение советской науки и техники. Оно способствовало рождению новой, передовой отрасли астрономии.

Солнце служит людям мостом к звездам. Это единственная звезда, поверхность и атмосферу которой мы можем изучить с мельчайшими подробностями. Наблюдая эффектные факельные вспышки на Солнце, ученые исследуют взаимодействие горячих газов, интенсивных магнитных полей и ударных волн в условиях, которые человек не может создать в своих лабораториях.

Ракеты и спутники будут проникать все дальше в зоны интенсивной солнечной активности. В ближайшие годы, несомненно, появятся новые открытия, которые расширят знания о Солнце и о мириадах больших и малых звезд в просторах Вселенной.