ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 84, № 3, с. 206-211
С КАФЕДРЫ ПРЕЗИДИУМА РАН
Б01: 10.7868/80869587314030025
Рентгеновская спектроскопия — основной современный метод исследования Солнца. Его суть — в построении изображений солнечного диска в узких спектральных диапазонах. Основное преимущество данного метода состоит в возможности регистрировать излучение плазмы в определённом температурном диапазоне, что позволяет изучать конкретные слои солнечной атмосферы или классы явлений. В статье обсуждаются результаты применения метода рентгеновской спектроскопии Солнца на аппарате КОРОНАС-Фотон, которые характеризуют современное состояние исследований Солнца в нашей стране.
КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛНЦА МЕТОДАМИ ИЗОБРАЖАЮЩЕЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
С.А. Богачёв, А.С. Кириченко
Космические исследования Солнца и солнечной радиации ведутся в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) с конца 1940-х годов на геофизических ракетах, а с конца 1950-х по начало 1960-х годов — на искусственных спутниках Земли (ИСЗ). Первый продолжительный эксперимент по измерению потоков рентгеновского излучения в диапазоне длин волн короче 120 Е был проведён на ИСЗ "Спутник-2", запущенном 3 ноября 1957 г. [1]. На нём был установлен прибор с открытыми фотоумножителями, разработанный под руководством С.Л. Мандельштама и А.А. Лебедева.
В 1963—1965 гг. с помощью камер-обскура на геофизических ракетах удалось осуществить прямое фотографирование Солнца в рентгеновской и далёкой ультрафиолетовой областях спектра.
Шй
Авторы работают в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН. БОГАЧЁВ Сергей Александрович — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник. КИРИЧЕНКО Алексей Сергеевич — инженер первой категории.
Первая фотография солнечной короны получена 19 апреля 1960 г. группой Г. Фридмана (США) в области спектра 20—60 Е [2]. Аппаратура эксперимента представляла собой камеру-обскуру с отверстием диаметром 0.125 мм, закрытым алюми-нированной органической плёнкой с угловым разрешением порядка 3' (3 угловые минуты), что равняется 0.1 диаметра Солнца. Аппаратура имела ориентацию только по оси, направленной на Солнце, и вращалась вокруг неё. Поворот во время экспозиции составил более 70°, из-за чего первое рентгеновское изображение Солнца было сильно смазано в направлении вращения.
6 июня 1963 г. в ФИАНе был проведён аналогичный советский эксперимент, в котором впервые в мире использовалась следящая система, обеспечивающая трёхосную ориентацию и стабилизацию камеры-обскуры. Благодаря этому удалось значительно уменьшить угловую скорость вращения аппаратуры и получить наиболее чёткие на тот момент фотографии Солнца. Камера-обскура, использованная в первом советском эксперименте, имела апертуру 0.2 мм при длине камеры (расстояние от входного отверстия до плёнки) 200 мм, что обеспечивало пространственное разрешение примерно 3' [3].
По результатам анализа первых рентгеновских фотографий Солнца установлено, что его рентгеновское излучение распределено в короне неравномерно и большей частью генерируется в компактных активных областях короны размером порядка 1—3', расположенных над яркими хромо-сферными флоккулами, видимыми в линии K ионизованного кальция Call. Эти области имеют повышенную температуру и плотность и могут сохраняться на Солнце в течение длительного
времени — нескольких суток и даже недель. Обнаруженные источники рентгеновского излучения примерно совпали с источниками дециметрового радиоизлучения Солнца.
Более продолжительные (несколько месяцев) наблюдения Солнца были проведены ФИАНом на борту космических станций "Электрон-2" (1964) и "Электрон-4" (1965) в период Международного года спокойного Солнца [4]. Следующим важным этапом советских космических исследований стал запуск первых специализированных солнечных обсерваторий "Космос-166" (16 июля 1967 г.) и "Космос-230" (1 июня 1968 г.), научная аппаратура которых состояла из рентгеновского фотометра, дифракционного ультрафиолетового спектрометра и рентгеновского гелиографа оригинальной конструкции [5—6]. Гелиографы были оснащены щелевыми коллиматорами, которые обеспечивали получение двух одновременных взаимно перпендикулярных сканов Солнца с пространственным разрешением до 20" (20 угловых секунд). В ходе трёхмесячного эксперимента описанный метод сканирования солнечного диска позволил построить более 1 тыс. изображений Солнца в пяти спектральных каналах. Впоследствии принцип программного сканирования солнечного диска использовался на американских станциях серии "OSO" и японском спутнике "Hinotori".
Первый советский эксперимент был поставлен сотрудниками ФИАНа в 1988 г., в нём был задействован современный метод рентгеновской спектроскопии Солнца с помощью телескопа ТЕРЕК на космическом аппарате ФОБОС [7]. В телескопе впервые была использована комбинация многослойных рентгеновских зеркал и высокочувствительных приёмников изображения на основе электронно-оптических преобразователей (ЭОП) и приборов с зарядовой связью (ПЗС-матриц). Систематические наблюдения Солнца проводились одновременно в двух спектральных диапазонах (175 и 304 Á), основное излучение в которых создаётся плазмой с температурой 1 и 0.05 МК соответственно. В течение месяца было получено более 100 изображений Солнца. Эти данные позволили выявить тонкую структуру корональных дыр и исследовать среднесрочную динамику солнечной активности. Данный эксперимент подвёл итог почти 40-летней программы советских солнечных исследований.
В современной российской истории эксперименты по рентгеновской изображающей спектроскопии Солнца были продолжены учёными ФИАНа в рамках программы Комплексных орбитальных околоземных наблюдений активности Солнца (КОРОНАС), которая была заложена советским физиком С.Л. Мандельштамом ещё в начале 80-х годов прошлого века. Первый спутник этой программы (КОРОНАС-И) выведен на око-
лоземную орбиту в 1994 г. В состав аппаратуры входили многоканальный телескоп ТЕРЕК-К и спектрогелиометр РЕС-К. Для построения изображений применялись двухкоординатные детекторы, включавшие в себя люминесцентный экран, усилитель изображения и ПЗС-матрицу. Мощное излучение оптического диапазона от диска Солнца блокировалось с помощью системы тонкоплёночных алюминиевых фильтров. Полученные данные позволили исследовать структуру образований в солнечной короне и переходной области в диапазоне температур от 105 до 107 К и их изменения на временных масштабах от нескольких секунд до трёх солнечных оборотов.
Следующий спутник (КОРОНАС-Ф) оснастили новым комплексом аппаратуры СПИРИТ, характеристики которого были существенно улучшены за счёт использования многослойной ши-рокоапертурной (до 100 мм) оптики и более мощного бортового компьютера. В телескопических каналах применялась двухзеркальная схема Ричи—Кретьена и однозеркальная система Гер-шеля. Зеркала в телескопе Гершеля (на диапазоны вблизи длин волн 175 и 304 А) были установлены на механизмы наклона, позволяющие смещать поле зрения телескопа в дальнюю корону. В качестве детекторов использовалась комбинация усилителя изображений с открытой микроканальной пластиной (МКП) на входе и ПЗС-мат-рицы. За более чем четырёхлетний срок проведения эксперимента накоплен большой наблюдательный материал: более 500 тыс. изображений и спектро-гелиограмм Солнца в различных спектральных диапазонах [9—14].
Эксперимент ТЕСИС на спутнике КОРОНАС-Фотон. Спутник КОРОНАС-Фотон, третий и на сегодняшний день последний космический аппарат программы КОРОНАС, был выведен на орбиту 30 января 2009 г. с космодрома Плесецк. Разработанный в ФИАНе комплекс научной аппаратуры ТЕСИС, установленный на космическом аппарате, включал в себя пять основных инструментов, позволяющих проводить наблюдения в шести спектральных каналах: двухканальный телескоп Гершеля — на длины волн 171 и 304 А; од-ноканальный телескоп Гершеля — на длину волны 132 А; изображающий монохроматический спектрогелиометр — на длину волны М§ХП 8.42 А; коронограф широкого поля зрения системы Ричи— Кретьена — на длину волны 304 А и изображающий спектрометр — на диапазон 280—330 А [15]. Помимо основных приборов, в состав ТЕСИСа входили два высокочувствительных оптических датчика.
Комплекс инструментов отличался широким полем зрения — от 1° (4 солнечных радиуса) у телескопов до 2.5° (10 солнечных радиусов) у коронографа, имел широкий температурный охват —
208
БОГАЧЁВ, КИРИЧЕНКО
от 40 тыс. до 30 млн. К, а также высокое угловое (до 1.7") и рекордное временное разрешение, достигавшее 4 с. Таким образом, инструменты обеспечивали широкие возможности для комплексного исследования "спокойной" солнечной короны в области температур порядка 1 МК, плазмы активных областей и солнечных вспышек (5—30 МК), а также эруптивных процессов в диапазоне высот от 1 до 4 солнечных радиусов над поверхностью Солнца.
Для всех каналов в ФИАНе были разработаны детекторы нового типа на основе ПЗС-матриц с обратной освещённостью. Матрицы обладали хорошей квантовой эффективностью (до 50%) и низким уровнем собственного шума, что позволило проводить прямую регистрацию коротковолнового излучения Солнца без использования люминесцентных экранов и усилителей сигнала. Три инструмента (два телескопа и спектрогелио-метр) были оснащены системой наклона зеркал и фокусировки оптической системы. Для блокирования интенсивного оптического излучения впервые в истории отечественных исследований Солнца были применены многослойные тонкоплёночные фильтры, закреплённые на поддерживающих сетках, а также напылённые на чувствительную поверхность ПЗС-матрицы. Все каналы (кроме изображающего спектрометра) были оснащены механическими затворами, обеспечивающими выбор экспозиций в диапазоне от 0.1 с до 10 мин.
Угловое разрешение телескопов ТЕСИС (1.7") сейчас не является рекордным, однако в период проведения эксперимента оно существенно превосходило разрешение основной зарубежной солнечной обсерватории 80Н0, составлявшее 2.6". Временное разрешение до 5—10 с было на порядок лучше, чем максимальное разрешение 80Н0 — чуть больше 1 мин. Можно уверенно утверждать, что по качест
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.