«Жизнь со звездой» — часть 3: аппараты следящие за Солнцем

^[1]

В продолжении статей про солнечную активность ^[2] и космическую погоду ^[3] я расскажу об автоматических аппаратах, которые позволили нам значительно продвинуться в изучении этих процессов.

Не смотря на то что Солнце является, пожалуй, самым важным для нас объектом Солнечной системы (после Земли конечно) число зондов, направленных на его исследование уступает ^[4] таковому же числу для Венеры и Марса. Однако с учётом того что значительная часть аппаратов, отправленных к Венере и Марсу были потеряны, а среднее время их работы не превышало пары лет (против десятилетий у множества аппаратов, исследующих Солнце) — ситуация в показателе исследовательских аппарато-лет оказывается всё-таки в пользу Солнца.

^[5]

Луна-1 ^[6] — запущенна 2 января 1959 года. Несмотря на то что основная цель (попадание в Луну) не удалась, её миссия была весьма успешна. Одним из достижений этого аппарата является первое в истории прямое наблюдение характеристик солнечного ветра ^[6].

Пионер-5 ^[7] — произвёл первые измерения межпланетного магнитного поля, уровня радиации и свойств солнечных вспышек. Не смотря на быстрый выход из строя (он проработал на орбите с 11 марта до 30 апреля 1960 года) этот крохотный спутник весом в 45 кг при диаметре в 66 см считается самым успешным из всей серии спутников «Пионер».

Спутники серии «Орбитальная солнечная обсерватория» (Orbiting Solar Observatory ^[8]) — это 8 последовательно запускавшихся аппарата направленных для изучения 11-летних циклов Солнца в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах. С запуска первой обсерватории 7 марта 1962 и до окончания работы последней из них в октябре 1978 года обычно на орбите находилось по 2-3 аппарата этой серии. Ориентация аппаратов на Солнце осуществлялась вращением.

С вторым аппаратом связана серьёзная авария: 14 апреля 1964 на тестах интеграции аппарата с третьей твердотопливной ступенью ракеты Дельта-С ^[9] один из техников случайно поджёг её разрядом статического электричества, при этом происшествии сгорело трое человек, а сам же аппарат срикошетив от крыши упал в углу здания. Потребовалось 10 месяцев на его восстановление, после чего он всё-таки был запущен 3 февраля 1965 года.

Третий аппарат и вовсе пришлось изготавливать в двух экземплярах, так как модификации в третьей ступени Дельта-С (сделанные после предыдущего случая) привели к её преждевременному запуску в полёте, а сам аппарат сгорел в плотных слоях атмосферы. Несмотря на это новый «третий» аппарат смог установить равномерность гамма-излучения по всему небу, а также обнаружил рентгеновские вспышки от объекта Scorpius X-1 ^[10]. Шестой аппарат одним из первых зафиксировал гамма-всплески ^[11], седьмой обнаружил гамма-лучи в солнечных вспышках, а восьмой обнаружил линии железа в скоплениях галактик.

Аппараты серии Пионер-6-9 ^[12] (их запуски производились с 16 декабря 1965 по 8 ноября 1968) — эти автоматические межпланетные станции проводили долговременное измерение космической погоды ^[13], солнечного ветра и космических лучей ^[14]. Их можно отнести к первым «долгосрочным» научным миссиям — последняя связь с аппаратом Пионер-6 была установлена 8 декабря 2000 года (в честь его 35-летия).

Предположительно за исключением Пионера-9 вышедшего из строя в 1983 году, они все ещё функциональны. Основная причина отказа от дальнейшего их использования — это архаичность приборов (возможности которых перекрывали новые спутники) и средств связи (требовавших огромных тарелок при скорости связи в 512 битсек).

Пара аппаратов серии Helios ^[15] (запуск 10 декабря 1974 и 15 января 1976) — совместная разработка NASA и DFVLR ^[16] (тогда ещё в составе ФРГ ^[17]). Ими изучалась межпланетная среда ^[18] включая исследования космической пыли ^[19], космических лучей, межпланетного магнитного поля. С помощью них также впервые были обнаружены ионы гелия в солнечном ветре.

Для более подробного исследования Солнца они были отправлены на гелиоцентрическую орбиту с перигелием в 0,3 астрономических единиц ^[20] (до них так близко к Солнцу из АМС ^[21] никто не подбирался). Аппаратам удалось обнаружить «магнитные облака» из плазмы (вместе с другим спутником — SMM ^[22]), однако связать их происхождение с корональными выбросами массы в тот момент не получилось.

^[23]

Международный исследователь комет ^[24] — запущенный 12 августа 1978 года стал первым аппаратом запущенным на орбите Лиссажу ^[25], на которой он вращается вокруг точки L₁ находящейся между Землёй и Солнцем. Аппарат имеет три детектора космических лучей различных энергий, детекторы протонов и магнитных полей, волн в плазме и рентгеновских лучей. Закончив 10 июня 1982 года свою основную миссию по изучению солнечно-земных связей, солнечного ветра и космических лучей, он был направлен на изучения кометы Джакобини-Циннера ^[26], хвост которой он прошёл 11 сентября 1985 года.

5 мая 1997 года аппарат был отправлен NASA на «пенсию» с отключением всех научных приборов. В 1999 и 2008 годах NASA осуществляло проверку его состояния. В апреле 2014 года на краудфайдинговой платформе RocketHub ^[27] появился проект по восстановления связи с этим аппаратом, который собрал почти 160 тыс. $. Уже 29 мая 2014 года этой команде удалось установить связь с аппаратом (с разрешения NASA конечно). А 2 июля они попытались запустить его двигатели впервые с 1987 года, но это не удалось из-за недостатка азота для наддува баков. Команда продолжила работать с научными приборами вплоть до 16 сентября, когда контакт с аппаратом был потерян. Предположительно это произошло из-за снижения выделения энергии солнечными батареями, так как аппарат пролетал в этот момент мимо Земли улетая от Солнца (так связь с аппаратом уже терялась в 1981 году). Следующая встреча аппарата с Землёй должна произойти в 2031 году.

^[28]

Вояджер-1 и 2 ^[29] — хотя основная цель эти аппаратов и заключалась в исследование внешних планет Солнечной системы, они также внесли вклад и в исследование Солнца: с помощью них были уточнены свойства солнечного ветра на различном удалении от Солнца, скорости распространения корональных выбросов вещества и расположение головной ударной волны ^[30] Солнечной системы (места где солнечный ветер сталкивается с межзвёздной средой).

^[31]

Solar Maximum Mission (также известный как SolarMax ^[22] или просто SMM) был запущен 14 февраля 1980 года для изучения солнечных явлений. Уже к 21 июня ему удалось обнаружить нейтроны образующиеся во время солнечной вспышки (это довольно редкое событие и регистрируется в среднем раз в год) и также быстро выйти из строя — уже в ноябре. Аппарат потерял ориентацию на Солнце и провёл в этом состоянии до апреля 1984 года, когда миссия «Спейс Шаттла» STS-41-C ^[32] не починила его.

Поймать спутник для ремонта получилось не сразу: в начале это пытались сделать с помощью пилотируемого маневрового модуля (MMU ^[33], к сожалению после катастрофы «Челленджера» ^[34] от использования его и вовсе отказались), затем попытались воспользоваться манипулятором Canadarm ^[35]. В итоге состыковаться удалось только на следующий день после выдачи аппарату сигналов с земли и снижения частоты его вращения.

Вся миссия Шаттла в конечном счёте прошла успешно и систему ориентации спутника с одним из научных приборов удалось починить, а также сделать его фотографию представленную выше. Не смотря на такую альтернативную эмблему миссии (обозначающую дату посадки, произведённую в пятницу 13-е) SMM проработал до входа в атмосферу 2 декабря 1989 года, попутно открыв несколько околосолнечных комет.

Также аппарату удалось установить что во время солнечного максимума (когда число солнечных пятен ^[36] резко увеличивается) светимость Солнца не падает, а наоборот увеличивается — это связано с наличием вокруг пятна солнечных факелов ^[37] которые наоборот имеют увеличенную светимость.

АМС «Улисс» ^[38] — запущенный 6 октября 1990 года совместный проект ESA и NASA. Это был первый аппарат, запущенный под большим углом к плоскости эклиптики ^[39] Солнечной системы. В его задачи входило изучение полюсов Солнца и немного Юпитера (в ходе гравитационного манёврова ^[40] по выходу на требуемую орбиту и пролёте мимо в 2004 году). Аппарат смог установить что южный полюс Солнца не имеет фиксированного положения (впрочем как и северный), а пройдя сквозь хвосты нескольких комет ему удалось установить что их длинна может простираться на несколько астрономических единиц ^[20] в длину.

Но у всего есть своя цена, так и Улисс выводимый как основная ^[41] нагрузка Спейс шаттла ^[42] «Дискавери» (имеющего грузоподъёмность 24,4 тонны на НОО) и разгоняемый двумя дополнительными ступенями, имел общую массу всего 365 кг из которых только 55 кг приходилось на научную аппаратуру. В связи с этим аппарат имел весьма ограниченный набор приборов: детекторы ионов и электронов, космической пыли и лучей. В этот список не входило никаких камер, так что мы до сих пор не имеем никаких фотографий полюсов Солнца.

Так как АМС «Улисс» в ходе выведения на орбиту приходилось отдаляться аж до Юпитера, то в качестве источника питания на нём использовался РИТЭГ, а так как масса аппарата была сильно ограничена — то мощность его была весьма невелика. Так снижение мощности РИТЭГа привело к тому что даже 70-метровые тарелки сети дальней космической связи ^[43] NASA в конце жизни аппарата стали терять его сигнал, а в 2008 году снижение его мощности вовсе вызвало замерзание топлива (гидразина), аппарат не смог маневрировать и был потерян (правда проработав к тому времени уже 17 лет и в 4 раза превысив расчётный срок эксплуатации).

Solar-A и Solar-B — аппараты которые после запуска получили более благозвучные имена «Yohkoh» ^[44] (Солнечный луч) и «Hinode» ^[45] (Восход Солнца). Это совместный проект Японии, Великобритании и США. Аппараты по этому проекту были запущены 30 августа 1991 года (проработал до 14 декабря 2001) и 23 сентября 2006 года (всё ещё продолжает работать).

«Солнечный луч» впервые имел ПЗС-матрицу ^[46] среди космических рентгеновских телескопов, а также имел ещё один рентгеновский телескоп более жёсткого спектра и пару спектрометров для поиска ионов железа, серы и кальция. «Восход Солнца» получил 0,5 метровый оптический и рентгеновский телескоп, а также ультрафиолетовый спектрометр.

Основной целью работы обоих аппаратов было изучение магнитного поля Солнца посредством различных его проявлений. Второму аппарату удалось обнаружить альфвеновские волны ^[47] на Солнце, а также найти прямое доказательство того что магнитное пересоединение ^[48] является источником солнечных вспышек.

^[49]

Серия аппаратов Коронас ^[50] — совместный проект Роскосмоса и РАН (а ранее также Украины), предусматривавший исследование Солнца в ходе одного 11-летнего цикла. Программа исследований должна была осуществляться посредством последовательного запуска 3 аппаратов: Коронас-И, Коронас-Ф и Коронас-Фотон. У аппаратов был широкий спектр задач: исследование различных проявлений солнечной погоды, сейсмологические исследования внутреннего строения Солнца, изучение взаимодействия активных явлений на Солнце с выбросами заряженных частиц и их взаимодействие уже с верхними слоями атмосферы.

Для этого на аппаратах были установлены приёмники практически всего спектра электромагнитного излучения: от радио до гамма. В создании приборов для него участвовали Россия, Украина, Индия и Польша. Проблемы с финансированием вынудили сместить даты запусков, но надёжная работа первых двух аппаратов позволила практически нивелировать последствия этого: Коронас-И ^[51] запущенный 2 марта 1994 года проработал до марта 2001, а Коронас-Ф ^[52] запущенный 31 июля 2001 года сошёл с орбиты в декабре 2005 года (меньший срок службы второго аппарата был вызван влиянием солнечного максимума на атмосферу Земли и следовательно более быстрым торможением аппарата на низкой орбите, которая в случае обоих аппаратов составляла около 550 км).

Однако третьему аппарату (Коронас-Фотон ^[53]) запущенному 30 января 2009 года повезло меньше: он смог проработать только 278 дней после чего вышел из строя из-за сбоев в работе платформы «Метеор» (хотя все научные приборы продолжали действовать). В ходе работы Коронас-Фотон было собрано 380 Гбайт научной информации.

WIND ^[54] был предназначенный для изучения солнечного ветра. Хотя он был запущен 1 ноября 1994 года до следующего в этом списке аппарата, но из-за желания учёных подробнее изучить магнитное поле Земли и окружающую Луну среду он присоединился к нему в точке Лагранжа L₁ только спустя 10 лет. WIND имеет 2,4 м в диаметре при высоте 1,8 м и сухом весе в 895 кг, при этом стабилизация аппарата вращением позволило установить на нём 2 «коротких» магнетометра в 12 и 15 м длинной, и один длинный 100-метровый ^[55] магнетометр регулируемой длинны из проволоки. На аппарате также стоят детекторы ионов и электронов двух диапазонов энергий и два гамма-спектрометра, один из которых был отключен из-за исчерпания запасов, а другой (произведённый ФТИ РАН ^[56]) продолжает работать, как и сам аппарат до сих пор. За это время WIND стал источником для 4300 научных публикаций. Остатков от 300 кг топлива аппарату должно хватить ещё на 50 лет нахождения в точке L₁.

^[57]

SOHO ^[58] — совместный проект NASA и ESA запущенный ещё 2 декабря 1995 года, который продолжает свою работу до сих пор. На его борту находится целых 12 приборов некоторые из которых остаются уникальными и поныне (правда другую часть уже была отключена в связи с выводом на орбиту более нового SDO ^[59]):

SOHO имеет весьма уникальную и интересную историю ^[60]: изначально миссия аппарата рассчитывалась на два года, но приступив к работе в мае 1996 года уже 24 июня 1998 года связь с аппаратом была потеряна в ходе плановых калибровок гироскопов (аппарат потерял ориентацию на Солнце, которую не смог самостоятельно восстановить).

Так как аппарат был весьма ценен и терять его совершенно не хотелось, специалисты ESA тут же отправились в США для того чтобы иметь возможность кроме своих тарелок воспользоваться помощью Сети дальней космической связи НАСА ^[43]. Однако целый месяц ежедневных попыток связи с аппаратом результатов не дал, и специалисты пошли практически на беспрецедентный шаг: используя одновременно 305-метровый радиотелескоп в Аресибо ^[61] на передачу и 70-метровый Голдстоунский телескоп ^[62] на приём, они в течении более часа пытались установить текущее положение SOHO. В ходе этого аппарат был обнаружен вблизи ожидаемой позиции, но данные свидетельствовали о том, что он вращается со скоростью 1 оборот в 53 секунды с солнечными батареями потерявшими ориентацию на Солнце.

Только к 3 августа, когда ориентация солнечных батарей частично восстановилась и аккумуляторы аппарата начали заряжаться, от него был получен короткий сигнал в несколько секунд длинной. После зарядки обоих батарей 12 августа SOHO была подана команда на включения нагревателей баков с гидразином, который к тому моменту уже полностью замёрз. Несколько раз процесс разогрева приходилось приостанавливать так как телеметрия показывала, что аккумуляторы начинали разряжаться (ориентация солнечных батарей была не точной и потребности нагревателей в энергии они не покрывали, а «спасательная команда» SOHO ^[63] не хотела рисковать снижая заряд батарей). После процесса разогрева баков топлива и топливных трубопроводов SOHO снова был сориентирован на Солнце 16 сентября. Затем началось постепенное восстановление работоспособности приборов: SUMER – был запущен первым 7 октября, COSTEP и ERNE включены 9-го числа, UVCS — 10-го, MDI — 12-го, LASCO и EIT — 13-го, CDS и SWAN — 17-го, и только 23-го октября с запуском последнего прибора (CELIAS) аппарат полностью восстановил свою функциональность.

Однако это был не конец его приключений: после восстановления работоспособности научных приборов оказалось что только 1 из 3-х гироскопов аппарата продолжает работать, а 21 декабря вышел из строя и оставшийся гироскоп. ESA пришлось разработать для SOHO новую программу работы, для того чтобы он мог продолжать работать не расходуя остатки драгоценного топлива. Перепрограммирование аппарата было осуществлено 1 февраля 1999 года.

Не смотря на такое начало ужасное начало, аппарат продолжает работать уже без существенных сбоев. Но любое оборудование в конце концов устаревает, и с выводом на орбиту SDO в начале 2010 года часть приборов SOHO, имеющих общие с ним задачи, начали постепенно отключать: уже в июле 2010 года прибор EIT был переведён в ограниченный режим и делает только два набора снимков в сутки (ради сохранения непрерывного ряда наблюдений), с 12 апреля 2011 года был отключен прибор MDI, 23 явнаря 2013 года — UVCS, 8 августа 2014 года — SUMER, а 5 сентября — CDS.

Кроме своей основной миссии SOHO при помощи добровольцев помог открыть 2 тысячи комет к 26 декабря ^[64] 2010 года, а к 13 сентября ^[65] 2015-го их число перевалило уже за 3 тысячи — таким образом с помощью SDO было открыто более половины от всех известных на данный момент комет.

Advanced Composition Explorer ^[66] — это аппарат запущенный 25 августа 1997 года для изучения высокоэнергетических частиц солнечного ветра и межпланетной среды. На данный момент ACE служит в основном для уточнения прогнозов по магнитным бурям за полчаса-час до их прихода, благодаря его положению в точке Лагранжа L₁ в 1,5 млн. км от Земли на линии Земля-Солнце. Расположение этой точке также позволяет ему значительно экономить топливо: 15 августа будет исполняться 20 лет с момента его запуска, а остатков топлива у него составляет примерно 37 кг, чего ему должно хватить ещё до 2026 года ^[67].

TRACE ^[68] — это небольшой телескоп с апертурой в 30 см запущенный 2 апреля 1998 года как часть проекта «Малые исследовательские программы» (SMEX) ^[69] NASA предусматривающую проекты дешевле 120 млн $. Аппарат осуществлял съёмку участков Солнца в 8,5 угловых минут (примерно 14 часть его общей площади) с помощью ПЗС-матрицы разрешением 1000x1000 пикселей в диапазоне от видимого до дальнего ультрафиолета. С 20 апреля 1998 года до 2010-го года он осуществлял поиск связей магнитных полей с плазменной структурой в атмосфере Солнца (фотосфере, хромосфере и короне).

«Солнечный спектрограф высоких энергий имени RHESI ^[70] — обсерватория рентгеновского и гамма спектра, направленная на изучение солнечных вспышек, которая была запущенна 5 февраля 2002 года по программе SMEX. Ей впервые удалось заснять гамма-излучение от вспышки и определить то что частота таких гамма-всплесков чаще, чем ранее предполагалось. RHESI продолжает работать до сих пор, а с помощью его данных уже написано 774 ^[71] научные статьи.