На Земле бывают сильные грозы, а в космосе — солнечные бури, которые могут вызвать хаос. В мае 2024 года вспышки на поверхности Солнца направили к планете огромные столбы заряженной плазмы. Их интенсивные геомагнитные силы привели к сбоям в работе линий электропередач, нарушили орбиты спутников и даже заставили некоторые самолёты изменить маршруты.
Сложности обнаружения
В отличие от метеорологов, у которых есть множество инструментов для мониторинга, у астрономов гораздо меньше возможностей для отслеживания приближающихся космических вспышек. Исследователи из Мичиганского университета (UM) с помощью компьютерного моделирования выяснили, что мы ещё менее готовы к тому, что они называют «космическими торнадо».
Согласно опубликованным 6 октября в журнале The Astrophysical Journal данным, исследователи считают, что одним из решений может стать создание созвездия космических аппаратов-мониторов, в том числе одного, оснащённого солнечными парусами.
Солнечные ветры и «космические торнадо»
Солнечный ветер — это сложное динамическое взаимодействие энергии плазмы, похожее на земной ветер. Эксперты давно анализируют наиболее интенсивные примеры, известные как выбросы корональной массы (CME). Эти быстрые и плотные облака плазмы простираются в среднем на 34 миллиона миль, но существующие компьютерные модели могут работать с вариантами шириной до 7 миллионов миль.
Однако солнечные бури не всегда приводят к таким масштабным выбросам. Иногда Солнце производит сравнительно небольшие потоки плазмы шириной от 3 000 до 6 миллионов миль, что далеко не соответствует возможностям предыдущих симуляций. Эти «космические торнадо» всё равно могут нанести вред электрическим сетям и цифровым системам Земли.
Недавно исследователи, включая климатолога и специалиста по космосу Чипа Манчестера из UM, разработали совершенно новую систему моделирования для учёта менее заметных явлений. Полученные данные показывают, что с «космическими торнадо» тоже нельзя шутить.
«Наше моделирование показывает, что магнитное поле в этих вихрях может быть достаточно сильным, чтобы вызвать геомагнитную бурю и доставить немало проблем», — сказал Манчестер в заявлении.
Модели команды предполагают, что многие из этих «космических торнадо» образуются из CME и проходят через более медленный солнечный ветер. Взаимодействие с солнечным ветром приводит к образованию вращающихся плазменных образований, подобно тому как снегоочиститель отбрасывает снег на обочину дороги. Иногда эти торнадо просто рассеиваются, но в других случаях они в конечном итоге сталкиваются с близлежащими потоками солнечного ветра.
Телескопы, направленные на Солнце, могут искать CME, но они не оснащены для обнаружения этих торнадоподобных потоков плазмы.
«Это вопрос национальной безопасности», — добавил исследователь и соавтор статьи Моджтаба Акхаван-Тафти. «Мы должны активно находить подобные структуры и предсказывать, как они будут выглядеть на Земле, чтобы делать надёжные предупреждения о космической погоде для планировщиков электрических сетей, авиадиспетчеров и фермеров».
Решение проблемы
Акхаван-Тафти и его коллеги объяснили, что солнечный ветер создаёт геомагнитные бури только тогда, когда магнитное поле сильно ориентировано на юг. Эксперты уже используют космические аппараты, расположенные между Землёй и Солнцем, чтобы отслеживать прямые солнечные бури. Однако Солнце может выбрасывать плазменные облака в любом направлении. CME на стороне Солнца, противоположной Земле, всё равно может создать меньшие «космические торнадо», путь которых в конечном итоге направлен к планете. Эти вихри с противоположной стороны Солнца могут остаться незамеченными при нынешней системе созвездия.
Манчестер сравнил ситуацию с попыткой отследить ураган издалека с помощью информации, собранной с одного датчика ветра.
«Вы увидите изменение измерений, но не увидите всей структуры шторма. Такова текущая ситуация с системами одиночных космических аппаратов», — сказал он. «Нам нужны точки зрения с нескольких космических метеорологических станций».
Одним из решений может стать проект под названием Space Weather Investigation Frontier (SWIFT), возглавляемый Акхаван-Тафти. Задуманный в рамках концептуального исследования миссии NASA, проект предполагает запуск четырёх одинаковых космических аппаратов в форме треугольной пирамиды на расстоянии около 200 000 миль друг от друга. Пятый аппарат-хаб будет развёрнут в качестве вершины пирамиды, направленной на Солнце.
Такая конфигурация SWIFT может отслеживать колебания солнечного ветра по мере их приближения к Земле, что ускорит время предупреждения на 40%. Однако есть один существенный недостаток — без дополнительных модификаций для борьбы с гравитацией Солнца космическому аппарату-зонду SWIFT потребуется огромное количество топлива.
Но решение может быть уже в разработке в рамках отдельной миссии NASA Solar Cruiser. Если космический аппарат будет оснащён выдвижным алюминиевым парусом размером примерно в треть футбольного поля, его поверхность сможет улавливать достаточно энергии фотонов, чтобы действовать в космосе как солнечный якорь.
«Если в космосе между Солнцем и Землёй возникнут опасности, мы не сможем просто смотреть на Солнце», — сказал Акхаван-Тафти.
В настоящее время SWIFT остаётся лишь предложением миссии, а не конкретным планом действий. Предполагаемый срок миссии — три года, и она задумана как ступенька к более крупным и всеобъемлющим системам мониторинга. Но как бы ни казались космическими торнадо и солнечные паруса чем-то из научной фантастики, они, вероятно, сыграют большую роль в космическом будущем человечества.