Науково-дослідна робота вчених Кримської астрофізичної обсерваторії АН СРСР на міжпланетних станціях серії "Фобос"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Науково-дослідна робота вчених Кримської астрофізичної обсерваторії АН СРСР на міжпланетних станціях серії “Фобос”

Мерко О.М.

кандидат історичних наук, спеціаліст Управління РАН із взаємодії з науковими організаціями КФО (Україна, Київ),

Щербіна А.Д. здобувач, Національна наукова сільськогосподарська бібліотека (Україна, Київ)

Розкрито особливості роботи вчених Кримської астрофізичної обсерваторії АН СРСР в межах нового напряму досліджень позаатмосферної астрономії --геліосейсмології. Описано етапи проведення експерименту “ІФІР” ("Міжпланетна геліосейсмологія з вимірювання іррадіації”) з високоточного виміру яскравості Сонця в трьох спектральних інтервалах. Доведено, що використання прецизійних фотометрів “ІФІР--2” та “ІФ1Р--3” надавали унікальну можливість отримати низку тривалих спостережень Сонця. Доведено внесок А.В. Брунса, В.А. Котова, Д.М. Рачковського, С. М. Шумко у розвиток космічних досліджень на території Кримського півострова: за допомогою приладу “ІФІР--3 ” отриманий практично безперервний запис малоамплітудних флуктуацій сонячної іррадіації. Зроблено акцент на унікальності експерименту, а саме: його проведення на значній відстані від Землі, спостереження флуктуації сонячного випромінювання упродовж півроку.

Ключові слова: геліосейсмологія, осциляції яскравості Сонця, Кримська астрофізична обсерваторія АН СРСР, “ІФІР”, “Фобос--2”.

З середини 60-х рр. XX ст., з моменту випадкового відкриття коливань Сонця Р. Лейтоном, Р. Нойсом і Дж. Саймоном в обсерваторії Маунт-Вільсон (США) в 1961 р., у фізиці Сонця виникає новий напрям досліджень - вивчення його внутрішньої будови за спектрами глобальних коливань. За аналогією з сейсмічним методом вивчення внутрішніх областей Землі напрям одержав назву геліосейсмологія. Американські вчені за вимірюваннями променевих швидкостей елементів сонячної поверхні визначили період їх осциляції (періодичний рух вгору і вниз), що тривав близько 5 хвилин. Згодом з'ясувалося, що ці коливання мають глобальний характер: зберігаючи фазу, вони поширюються по всьому Сонцю, причому не тільки по поверхні, але й углиб.

З появою нових технічних можливостей була уточнена структура зірки від зовнішніх шарів до енерговипромінюючого ядра. За спостереженнями променевої швидкості фотосфери у Сонця виявлені осциляції з різними періодами - від 5 до 160 хв. і більше, що мали різну фізичну природу. Акустичні коливання (р-моди) з періодом 5 хв. спостерігалися або як коливання радіальної швидкості сонячної плазми, або як зміни температурної яскравості. Доведено, що даний тип осциляцій зосереджується переважно в конвективній зоні і майже не проникає до центру. Гравітаційні коливання ^-моди) з періодами десятки і більше хвилин мають максимальну амплітуду переважно в глибині Сонця. У 1976 р. співробітниками Кримської астрофізичної обсерваторії АН СРСР (КрАО АН СРСР) і Бірмінгемського університету майже одночасно були опубліковані результати спостережень глобальних пульсацій Сонця з періодом близько 160 хвилин.

Оскільки при спостереженні з поверхні Землі осциляції яскравості затемнювалися атмосферою, а добова модуляція ускладнювала фіксування коливань, найбільш перспективними були позаатмосферні спостереження з борту космічних станцій з віддаленими від нашої планети траєкторіями руху. У 1985 р. сформульована ідея постановки геліосейсмологічного дослідження на радянській міжпланетній станції “Фобос” [1]. У липні 1988 р. до Марса запущено два космічні апарати - “Фобос-1” і “Фобос-2”. На борту кожного з них здійснювався експеримент “ІФІР” (“Міжпланетна геліосейсмологія з вимірювання іррадіації”) з високоточного виміру яскравості Сонця в трьох спектральних інтервалах. Проект проводився на широкій міжнародній основі за участю Фізико- метеорологічної обсерваторії (Давос, Швейцарія), Лабораторії фізики зірок і планет (Верр'єр, Франція), Європейського космічного агентства (Франція, Нідерланди), КрАО АН СРСР і Центрального дослідницького інституту фізики (Будапешт, Угорщина) [5, с. 23].

Науково-дослідна робота вчених КрАО АН СРСР А.В. Брунса, В. А. Котова, Д. М. Рачковського, С.М. Шумко на автоматичних міжпланетних станціях проводилася за допомогою приладу “ІФІР” упродовж липня 1988-січня 1989 рр. у період так званої підльотної фази на шляху до Марса, що представляла унікальну можливість отримати низку тривалих, безперервних спостережень Сонця. Прецизійні фотометри “ІФІР-2” і “ІФІР-3” встановлено на міжпланетних станціях “Фобос” і “Фобос-2” відповідно, запуски яких були проведені 7 і 12 липня 1988 р. Дослідницька робота з другою моделлю приладу здійснювалася до вересня 1988 р . - до моменту втрати зв'язку зі станцією “Фобос”. Таким чином основні експерименти за програмою КрАО АН СРСР проводилися за допомогою “ІФІРа-3” на “Фобосі-2”. Прилад включений 14 липня, але тривісна стабілізація станції здійснена лише 21 липня 1988 р. [2].

Основними завданнями експерименту було проведення високоточних безперервних вимірювань відносних флуктуацій сонячної іррадіації у трьох спектральних діапазонах, отримання спектрів потужності акустичних осциляцій Сонця низького ступеня, детектування і подальше ототожнення гравітаційних g-мод в області частот 10-500 мкГц. Вчені припускали, що в результаті досліджень будуть отримані репрезентативні дані про власні глобальні осциляції Сонця, більш точні, ніж зафіксовані приладом АСИМ при перших позаатмосферних болометричних вимірах на борту супутника 8ММ.

Основною частиною приладу “ІФІР”, що вимірював випромінювання від усього диска Сонця, був трьохканальний високоточний фотометр. Він дозволяв реєструвати сонячне випромінювання в довжинах хвиль 335, 500 і 865 (± 2,5) нм при смузі 5 нм за рівнем 0,5 з відносною точністю 10-6. У каналах не проводилася побудова зображення Сонця, а лише вимірювався світловий потік в межах поля зору ± 2,5 ° [5, с. 22]. Прилад був забезпечений двохосьовим датчиком положення Сонця в полі зору фотометра для врахування впливу на отримані дані змін в орієнтації станції. Безперервність спостережень забезпечувалася поєднанням приладового та бортового запам'ятовуючих пристроїв. Управління експериментом проводилося внутрішньою приладовою програмою і за командами, що подавалися з Центру управління польотом.

У “ІФІРі” застосовувалися технології, які значно підвищували якість експериментальних даних. У період перебування приладу на Землі або під час початкового етапу польоту, коли відбувалося інтегрування сигналів або проводилися контрольні вимірювання, вхідна апертура закривалася кришкою, що захищала оптичні поверхні від контамінації. Температура загального термостатуючого корпусу управлялася за телекомандами і встановлювалася на 1-5 К вище температури навколишнього середовища. Поле зору визначалося двома апертурами, відстань між якими склала 10,4 см. Перед діодом розміщувалось спеціальне дзеркало, що захищало його від перегріву; для виключення впливу розсіяного світла в кожному з трьох фотодетекторів встановлені бленди і сталеві трубки довжиною 10 см [5, с. 24]. Точність орієнтації станції “Фобос-2” на Сонце становила ± 1°, тому для визначення реального кута між напрямком на Сонце і оптичною віссю приладу потрібна внутрішня система з частотою вимірювань 1 раз за 20 хв. Вихідні сигнали кожного каналу фотометра перетворювалися в 20-бітові слова, проте повністю на Землю передавався тільки кожний 24-й вимір. Ускладнювала обробку отриманих даних зміна чутливості датчиків при реальних вимірах, а саме деградація чутливості і непередбачуване зростання координатного фактора. Деградація чутливості, яка залежала від довжини хвилі, була максимальною для синього каналу, що не дозволило використовувати його дані. У ході дослідницької роботи вченими КрАО АН СРСР встановлена більш складна залежність світлового потоку від координат Сонця в полі зору, ніж отримана при теоретичних розрахунках. Це пояснювалося неоднорідністю прозорості фільтра через його деградацію від ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання, складними світловими рефлексами від дзеркальних оправ фотодетекторів. Крім того, в процесі експерименту переміщення Сонця значно модулювало вимірюваний світловий потік.

Для розшифровки вимірювань дослідниками створена програма відновлення даних, за допомогою якої вдалося відновити (зістикувати) практично всі блоки даних червоного каналу (близько 99,5% блоків). Обробка отриманих записів показала високу якість даних, що представляли собою практично безперервну піврічну низку вимірів яскравості Сонця. Висока якість запису, отриманого приладом, дозволила скоротити час спостереження, за який побудовано окремий спектр потужності до одного дня. Отримання даних для такого невеликого проміжку часу внесло істотні зміна в уявлення як про частотний склад окремого спектра, так і про характер його тимчасової зміни. А.В. Брунс, В. А. Котов, Д. М. Рачковський, С.М. Шумко в ході експерименту виявили низку нових цікавих особливостей, зафіксували значні часові зміни амплітуд 5-хвилинних коливань яскравості Сонця.

Згідно з результатами обробки даних червоного каналу, які зазнали найменшої деградації, спектр потужності, побудований за вимірюваннями двотижневої тривалості, чітко показав 5-хвилинні осциляції з набором дискретних піків. Досить тривалий період спостережень (більше 10 днів) дозволив з високою точністю визначити частоти коливань, величину розщеплення. Зміни в спектрі потужності 5- хвилинних коливань яскравості Сонця відбувалися незалежно для кожної з мод і мали характер 4-5- годинних сплесків амплітуди. Проте вплив на спектр потужності помилкових сплесків був настільки великий, що повністю маскував дискретні піки справжніх осциляцій. Дослідники КрАО АН СРСР усували вплив помилкових піків шляхом обмеження відносних флуктуацій за амплітудою. Для аналізу залишали тільки ті дані, відносні амплітуди яких не перевищували 0,05 від дисперсії первісного ряду.

У загальному підведенні ліній спектра потужності виділено періоди спокійного стану та активності. Перші з них характеризувалися амплітудою сплесків яскравості (1,5-2) х 10-7 і тривали від десятка годин до декількох днів. Періоди активності складалися з поодиноких сплесків або серій з амплітудою в 30-50 разів тривалістю від декількох годин до доби. Для найсильніших піках в спектрі потужності п'ятихвилинних коливань відношення “сигнал / шум” досягало 30:1 і більше [3, с. 334]. Цей факт пояснювався низьким рівнем власних шумів приладу. Для 5- годинних спектрів відношення сигнал / шум досягало 10:15, а для 27-годинних - 20:30 [4, с. 22]. Таким чином групою вчених КрАО АН СРСР встановлений різночасних характер збудження і зміни різних мод 5- хвилинних коливань. Наслідком цього був той факт, що амплітудний розподіл мод в спектрі навіть за тривалі проміжки часу не міг бути постійним: упродовж декількох годин амплітуди коливань змінювалися декілька разів.

Висока якість отриманих “ІФІРом-3” даних дозволила А.В. Брунсу, В. А. Котову, Д.М. Рачковському, С.М. Шумко, крім дослідження ліній спектра з високим спектральним розрішенням, простежити також характер процесу виникнення, підтримки і згасання коливань. Для проведення даного експерименту вчені максимально скоротили відрізки часу, для яких обчислювався спектр потужності. Скорочення тривалості інтервалу даних обумовлювало при Фур'є-аналізі спектрів потужності розширення ліній і взаємне їх блендування. Застосування такої методики стало причиною втрати точності у визначенні частот ліній спектра. Проте дослідники довели цей час до 3 год. і проводили обчислення для ділянок даних тривалістю 3, 6 ч за допомогою швидкого перетворення Фур'є [3, с. 336]. Співробітниками КрАО АН СРСР встановлено, що частота кожної моди не фіксована, а могла змінюватися з часом. Величина цих змін виявилася велика (1-3 мкГц), хоча і становила менше 0,1% від самої величини частоти [4, с. 27]. Значить, що до числа безумовних здобутків відносимо проведене спостереження стрибкоподібних мікрозмін частот коливань, встановлення їх ролі і місця в розвитку космічних явищ. А.В. Брунс, В.А. Котов, Д.М. Рачковський, С. М. Шумко довели, що, відображаючи процеси в різних структурах Сонця, незначні варіювання частот представляли собою чутливий діагностичний апарат, придатний для комплексного дослідження взаємозв'язку між процесами в сонячному ядрі, конвективній зоні і поверхневих шарах. Довільний характер стрибків частоти визначав механізм формування контурів ліній, пояснюючи мінливу форму їх експериментально виміряних профілів. Була висловлена гіпотеза про зміну частот не тільки за короткі періоди часу, але і за більш тривалі, наприклад, з 11-річним циклом. З порівняння спостережуваних частот з розрахованими за асимптотичним методом вченими виявили геліосейсмологічні зміни в структурі Сонця. Цей метод дозволив провести порівняння між різними моделями Сонця: стандартною, змішаною та WIМР ^еак1уш1егасїі^та88іуераі1іс1е).

Також групою вчених КрАО АН СРСР проводилося обчислення 160-хвилинного періоду методом прямого Фур'є-перетворення. За основу бралися дані, отримані в червоному каналі при частоті 0,13 мкГц упродовж 32 діб. У спектрі зафіксований невеликий пік на частоті V = 104,28 мкГц. Відповідний період 159,8 ± 0,2 хв. в межах помилки збігався з періодом Р0 = 160,01 хв., відомим як період глобальних пульсацій Сонця [5, с. 28]. Відносна амплітуда піку відповідала гармонійній амплітуді, однак у багато разів перевершувала середнє значення амплітуди, встановлене на основі 12-річного ряду диференціальних наземних вимірів яскравості Сонця в Криму.

Під час підльотногоо періоду до Марса з 21 липня 1988 р. по лютий 1989 р. КрАО АН СрСр в особі А.В. Брунса, В. А. Котова, Д.М. Рачковського, С. М. Шумко за допомогою приладу “ІФІР-3” отриманий практично безперервний запис малоамплітудних флуктуацій сонячної іррадіації. В межах описаних часових рамок експеримент був унікальний. Він проводився на значній відстані від Землі, поза впливом земних перешкод, а флуктуації сонячного випромінювання, які становили одну мільйонну частку від його середнього рівня, фіксувалися упродовж півроку. Отримані дані дозволили розрахувати параметри глобальних коливань Сонця з вищою на вказаний період точністю і виявити імпульсні особливості зміни параметрів коливань з часом. Наукові відомості були необхідні як для вивчення внутрішньої будови Сонця, так і взагалі для розуміння фізичних процесів, які відбуваються на ньому, для розробки подальших напрямів їх вивчення. Надалі дослідні дані відкривали перспективи для одночасного спостереження і зіставлення процесів у всіх структурах Сонця від ядра до верхньої атмосфери, для дослідження тонкої структури р-мод, отримання спектрів g-мод, для вимірювань осциляцій яскравості, які дозволяли простежити зміни у внутрішніх структурах Сонця з 11-річним циклом його активності.

Список використаних джерел

астрофізичний обсерваторія міжпланетний станція

1. Архив Российской Академии наук. -Ф.1678. - Оп.1. - Д.1152. - 110 л.

2. Там же. - Д.1153. - 219 л.

3. Брунс А.В. Результаты исследования осцилляций яркости Солнца с борта межпланетной станции “ФОБОС-2” / А.В. Брунс, Р. Бонне, Ж.П. Делябудиниер, К. Фрелих, С.М. Шумко // Письма в Астрон. журн. - 1990. - Т.16. -№4. -С.330-342.

4. Брунс А.В. Тонкая временная структура 5-минутных колебаний яркости Солнца по наблюдениям с борта КА “Фобос” / А.В. Брунс, С.М. Шумко // Изв. Крым.астрофиз. обс. -1992. - Т.85. - С.20-27.

5. Фрелих К. Гелиосейсмологический эксперимент на межпланетной станции “Фобос”: предварительные результаты / К. Фрелих, Р.М. Боннэ, А. В. Брунс, В.А. Котов, Д.Н. Рачковский, С.М. Шумко // Изв. Крым.астрофиз. обс. - 1991. - Т.83. - С.22-33.

Размещено на Allbest.ru