Журнал «Вокруг Света» №03 за 2008 год

Звезда в короне

Затмения относятся к числу самых зрелищных астрономических явлений. Однако никакие технические средства не могут в полной мере передать ощущения, возникающие при этом у наблюдателя. И все же в силу несовершенства человеческого глаза ему видно далеко не все сразу. Ускользающие от взгляда детали этой чудесной картины способна выявить и запечатлеть только специальная техника фотографирования и обработки сигналов. Многообразие затмений далеко не исчерпывается явлениями в системе Солнце-Земля-Луна. Относительно близко расположенные космические тела регулярно отбрасывают друг на друга тени (нужно лишь, чтобы неподалеку был какой-нибудь мощный источник светового излучения). Наблюдая за этим космическим театром теней, астрономы получают множество интересных сведений об устройстве Вселенной. Фото Вячеслав Хондырев

На болгарском курорте Шабла 11 августа 1999 года был самый обычный летний день. Голубое небо, золотой песок, теплое ласковое море. Но на пляже никто не заходил в воду — публика готовилась к наблюдениям. Именно здесь стокилометровое пятно лунной тени должно было пересечь берег Черного моря, а длительность полной фазы, согласно расчетам, достигала 3 минут 20 секунд. Отличная погода вполне соответствовала многолетним данным, но все с тревогой поглядывали на облако, висящее над горами.

На самом деле затмение уже шло, просто его частные фазы мало кого интересовали. Иное дело — полная фаза, до начала которой оставалось еще полчаса. Новенькая цифровая зеркалка, специально купленная для этого случая, стояла в полной готовности. Все продумано до мелочей, каждое движение отрепетировано десятки раз. Погода испортиться уже не успеет, и все же беспокойство почему-то нарастало. Может, дело в том, что света заметно поубавилось и резко похолодало? Но так и должно быть с приближением полной фазы. Впрочем, птицам этого не понять — все способные летать пернатые поднялись в воздух и с криками выписывали круги над нашими головами. С моря задул ветер. С каждой минутой он крепчал, и тяжелая фотокамера начинала дрожать на штативе, который еще недавно казался таким надежным.

С разной экспозицией прорабатываются разные зоны солнечной короны. Совмещая такие снимки, строят максимально реалистичное композитное изображение. Фото Вячеслав Хондырев

Делать нечего — за несколько минут до расчетного момента, рискуя все испортить, я спустился с песчаного холма к его подножию, где кусты гасили ветер. Несколько движений, и буквально в последний момент техника вновь настроена. Но что это за шум? Лают и воют собаки, блеют овцы. Кажется, все животные, способные издавать звуки, делают это как в последний раз! Свет меркнет с каждой секундой. Птиц в потемневшем небе уже не видно. Все разом стихает. Нитевидный солнечный серпик освещает морской берег не ярче, чем полная Луна. Вдруг и он гаснет. Кто следил за ним в последние секунды без темного фильтра, в первые мгновения наверняка ничего не видит.

Мое суетливое волнение сменилось настоящим шоком: затмение, о котором я мечтал всю жизнь, уже началось, летят драгоценные секунды, а я даже не могу поднять голову и насладиться редчайшим зрелищем — фотосъемка прежде всего! По каждому нажатию кнопки фотокамера автоматически делает серию из девяти снимков (в режиме «брекетинг»). Еще одну. Еще и еще. Пока камера щелкает затвором, все же отваживаюсь оторваться и взглянуть на корону в бинокль. От черной Луны во все стороны разбрелось множество длинных лучей, образуя жемчужную корону с желтовато-кремовым оттенком, а у самого края диска вспыхивают ярко-розовые протуберанцы. Один из них необычно далеко отлетел от края Луны. Расходясь в стороны, лучи короны постепенно бледнеют и сливаются с темно-синим фоном неба. Эффект присутствия такой, будто не на песке стою, а лечу в небе. А время словно исчезло...

Вдруг по глазам ударил яркий свет — это выплыл из-за Луны краешек Солнца. Как же быстро все кончилось! Протуберанцы и лучи короны видны еще несколько секунд, и съемка продолжается до последнего. Программа выполнена! Несколько минут спустя вновь разгорается день. Птицы сразу позабыли испуг от внеочередной скоротечной ночи. Но моя память вот уже много лет хранит ощущение абсолютной красоты и величия космоса, чувство сопричастности к его тайнам.

На Юпитере затмения — явление повседневное

Как впервые измерили скорость света

Затмения происходят не только в системе Солнце-Земля-Луна. Например, четыре крупнейших спутника Юпитера, открытых еще Галилео Галилеем в 1610 году, сыграли важную роль в развитии мореплавания. В ту эпоху, когда еще не было точных морских хронометров, по ним можно было вдали от родных берегов узнавать гринвичское время, необходимое для определения долготы судна. Затмения спутников в системе Юпитера происходят почти каждую ночь, когда то один, то другой спутник входит в тень, отбрасываемую Юпитером, или скрывается от нашего взгляда за диском самой планеты. Зная из морского альманаха предварительно вычисленные моменты этих явлений и сравнивая их с местным временем, получаемым из элементарных астрономических наблюдений, можно определить свою долготу. В 1676 году датский астроном Оле Кристенсен Рёмер заметил, что затмения спутников Юпитера немного отклоняются от предвычисленных моментов. Юпитерианские часы то уходили вперед на восемь с небольшим минут, то потом, спустя около полугода, на столько же отставали. Рёмер сопоставил эти колебания с положением Юпитера относительно Земли и пришел к выводу, что все дело в задержке распространения света: когда Земля ближе к Юпитеру, затмения его спутников наблюдаются раньше, когда дальше — позже. Разница, составлявшая 16,6 минуты, соответствовала времени, за которое свет проходил диаметр земной орбиты. Так Рёмер впервые измерил скорость света.

Встречи в небесных узлах

По удивительному совпадению видимые размеры Луны и Солнца почти одинаковы. Благодаря этому в редкие минуты полных солнечных затмений можно увидеть протуберанцы и солнечную корону — самые внешние плазменные структуры солнечной атмосферы, постоянно «улетающие» в открытый космос. Не будь у Земли такого большого спутника, до поры до времени никто бы и не догадался об их существовании.

Видимые пути по небу Солнца и Луны пересекаются в двух точках — узлах, через которые Солнце проходит примерно раз в полгода. Именно в это время и становятся возможны затмения. Когда Луна встречается с Солнцем в одном из узлов, наступает солнечное затмение: вершина конуса лунной тени, упираясь в поверхность Земли, образует овальное теневое пятно, которое с большой скоростью смещается по земной поверхности. Только попавшие в него люди увидят лунный диск, полностью перекрывающий солнечный. Для наблюдателя полосы полной фазы затмение будет частным. Причем вдали его можно даже не заметить — ведь когда закрыто менее 80—90% солнечного диска, уменьшение освещенности почти неощутимо для глаза.

Ширина полосы полной фазы зависит от расстояния до Луны, которое из-за эллиптичности ее орбиты меняется от 363 до 405 тысяч километров. При максимальном расстоянии конус лунной тени немного не дотягивается до поверхности Земли. В этом случае видимые размеры Луны оказываются немного меньше Солнца и вместо полного затмения происходит кольцеобразное: даже в максимальной фазе вокруг Луны остается яркий ободок солнечной фотосферы, мешающий увидеть корону. Астрономов, разумеется, в первую очередь интересуют полные затмения, при которых небо темнеет настолько, что можно наблюдать лучистую корону.

Лунные затмения (с точки зрения гипотетического наблюдателя на Луне они будут, разумеется, солнечными) происходят во время полнолуния, когда наш естественный спутник проходит узел, противоположный тому, где находится Солнце, и попадает в конус тени, отбрасываемой Землей. Внутри тени нет прямых солнечных лучей, но свет, преломившийся в земной атмосфере, все же попадает на поверхность Луны. Обычно он окрашивает ее в красноватый (а иногда буро-зеленоватый) цвет из-за того, что в воздухе длинноволновое (красное) излучение поглощается меньше, чем коротковолновое (синее). Можно представить себе, какой ужас наводил на первобытного человека внезапно помрачившийся зловеще красный диск Луны! Что уж говорить о солнечных затмениях, когда с неба вдруг начинало исчезать дневное светило — главное божество для многих народов?

Неудивительно, что поиск закономерностей в распорядке затмений стал одной из первых сложных астрономических задач. Ассирийские клинописные таблички, относящиеся к 1400—900 годам до н. э., содержат данные о систематических наблюдениях затмений в эпоху вавилонских царей, а также упоминание о замечательном периоде в 65851/3 суток (саросе), в течение которого повторяется последовательность лунных и солнечных затмений. Греки пошли еще дальше — по форме тени, наползающей на Луну, они сделали вывод о шарообразности Земли и о том, что Солнце намного превосходит ее по размерам.

Современные методы позволяют точно рассчитать, когда, где и как наблюдается то или иное затмение, благодаря чему они оказываются надежным инструментом для датировки исторических событий.

Как определяют массы других звезд

Затменно-переменными звездами называют тесные двойные системы, в которых две звезды обращаются вокруг общего центра масс так, что орбита повернута к нам ребром. Тогда две звезды регулярно затмевают друг друга, а земной наблюдатель видит периодические изменения их суммарного блеска. Самая известная затменно-переменная звезда — Алголь (бета Персея). Период обращения в этой системе составляет 2 суток 20 часов и 49 минут. За это время на кривой блеска наблюдается два минимума. Один глубокий, когда небольшая, но горячая белая звезда Алголь А полностью скрывается позади тусклого красного гиганта Алголя B. В это время совокупная яркость двойной звезды падает почти в 3 раза. Менее заметный спад блеска — на 5—6% — наблюдается, когда Алголь А проходит на фоне Алголя В и немного ослабляет его блеск. Тщательное изучение кривой блеска позволяет узнать много важных сведений о звездной системе: размеры и светимости каждой из двух звезд, степень вытянутости их орбиты, отклонение формы звезд от шарообразной под действием приливных сил и самое главное — массы звезд. Без этих сведений было бы трудно создать и проверить современную теорию строения и эволюции звезд. Звезды могут затмеваться не только звездами, но и планетами. Когда 8 июня 2004 года планета Венера прошла по диску Солнца, мало кому пришло в голову говорить о затмении, поскольку на блеске Солнца крошечное темное пятнышко Венеры почти не сказалось. Но если бы на ее месте оказался газовый гигант типа Юпитера, он заслонил бы примерно 1% площади солнечного диска и на столько же снизил бы его блеск. Это уже можно зарегистрировать современными инструментами, и на сегодня уже есть случаи таких наблюдений. Причем некоторые из них выполнены любителями астрономии. Фактически «экзопланетные» затмения — это единственный доступный любителям способ наблюдать планеты у других звезд.

Александр Сергеев

Шесть сотен «исходников»

С удалением от Солнца внешняя корона постепенно тускнеет. Там, где на фотоснимках она сливается с фоном неба, ее яркость в миллион раз меньше яркости протуберанцев и окружающей их внутренней короны. На первый взгляд невозможно сфотографировать корону на всем ее протяжении от края солнечного диска до слияния с фоном неба, ведь хорошо известно, что динамический диапазон фотографических матриц и эмульсий в тысячи раз меньше. Но снимки, которыми иллюстрирована эта статья, доказывают обратное. Задача имеет решение! Только идти к результату нужно не напролом, а в обход: вместо одного «идеального» кадра нужно сделать серию снимков с разной экспозицией. Разные снимки будут выявлять области короны, находящиеся на разных расстояниях от Солнца.

Такие снимки сначала обрабатываются отдельно, а потом совмещаются друг с другом по деталям лучей короны (по Луне снимки совмещать нельзя, ведь она быстро движется относительно Солнца). Цифровая обработка фотоснимков не так проста, как кажется. Однако наш опыт показывает, что свести воедино можно любые снимки одного затмения. Широкоугольные с длиннофокусными, с малой и большой экспозицией, профессиональные и любительские. В этих снимках частицы труда двадцати пяти наблюдателей, фотографировавших затмение 2006 года в Турции , на Кавказе и в Астрахани.

Шесть сотен исходных снимков, претерпев множество преобразований, превратились всего лишь в несколько отдельных изображений, но зато каких! Теперь на них есть все мельчайшие детали короны и протуберанцев, хромосфера Солнца и звезды до девятой величины. Такие звезды даже ночью видны только в хороший бинокль. Лучи короны «проработались» до рекордных 13 радиусов солнечного диска. И еще цвет! Все, что видно на итоговых изображениях, имеет реальную окраску, совпадающую с визуальными ощущениями. И достигнуто это не искусственным подкрашиванием в «Фотошопе», а с помощью строгих математических процедур в программе обработки. Размер каждого снимка приближается к гигабайту — можно сделать отпечатки шириной до полутора метров без всякой потери детализации.

Как уточняют орбиты астероидов

Затменно-переменными звездами называют тесные двойные системы, в которых две звезды обращаются вокруг общего центра масс так, что орбита повернута к нам ребром. Тогда две звезды регулярно затмевают друг друга, а земной наблюдатель видит периодические изменения их суммарного блеска. Самая известная затменно-переменная звезда — Алголь (бета Персея). Период обращения в этой системе составляет 2 суток 20 часов и 49 минут. За это время на кривой блеска наблюдается два минимума. Один глубокий, когда небольшая, но горячая белая звезда Алголь А полностью скрывается позади тусклого красного гиганта Алголя B. В это время совокупная яркость двойной звезды падает почти в 3 раза. Менее заметный спад блеска — на 5—6% — наблюдается, когда Алголь А проходит на фоне Алголя В и немного ослабляет его блеск. Тщательное изучение кривой блеска позволяет узнать много важных сведений о звездной системе: размеры и светимости каждой из двух звезд, степень вытянутости их орбиты, отклонение формы звезд от шарообразной под действием приливных сил и самое главное — массы звезд. Без этих сведений было бы трудно создать и проверить современную теорию строения и эволюции звезд. Звезды могут затмеваться не только звездами, но и планетами. Когда 8 июня 2004 года планета Венера прошла по диску Солнца, мало кому пришло в голову говорить о затмении, поскольку на блеске Солнца крошечное темное пятнышко Венеры почти не сказалось. Но если бы на ее месте оказался газовый гигант типа Юпитера, он заслонил бы примерно 1% площади солнечного диска и на столько же снизил бы его блеск. Это уже можно зарегистрировать современными инструментами, и на сегодня уже есть случаи таких наблюдений. Причем некоторые из них выполнены любителями астрономии. Фактически «экзопланетные» затмения — это единственный доступный любителям способ наблюдать планеты у других звезд.

Александр Сергеев

Панорама в лунной тени

Необыкновенная красота солнечного затмения не исчерпывается сверкающей короной. Ведь есть еще заревое кольцо по всему горизонту, которое создает в момент полной фазы уникальное освещение, как будто закат происходит сразу со всех сторон света. Вот только мало кому удается оторвать взгляд от короны и посмотреть на удивительные цвета моря и гор. И тут на помощь приходит панорамная фотосъемка. Несколько соединенных вместе снимков покажут все, что ускользнуло от взгляда или не врезалось в память.

Приведенный в этой статье панорамный снимок — особенный. Его охват по горизонту — 340 градусов (почти полный круг), а по вертикали — почти до зенита. Только на нем мы позже рассмотрели перистые облака, которые едва не испортили нам наблюдения — они же всегда к перемене погоды. И действительно, дождь начался уже через час после того, как Луна сошла с диска Солнца. Видимые на снимке инверсионные следы двух самолетов на самом деле не обрываются в небе, а просто уходят в лунную тень и из-за этого становятся невидимыми. Справа на панораме затмение в самом разгаре, а на левом краю снимка полная фаза только что закончилась.

Правее и ниже короны расположен Меркурий — он никогда не уходит далеко от Солнца, и увидеть его удается далеко не всем. Еще ниже сверкает Венера , а по другую сторону от Солнца — Марс . Все планеты расположены вдоль одной линии — эклиптики — проекции на небо плоскости, вблизи которой обращаются все планеты. Только во время затмения (и еще из космоса) можно вот так с ребра увидеть нашу планетную систему, окружающую Солнце. В центральной части панорамы видны созвездия Ориона и Возничего. Яркие звезды Капелла и Ригель белые, а красный сверхгигант Бетельгейзе и Марс получились оранжевыми (цвет виден при увеличении). Сотням людей, наблюдавшим затмение в марте 2006-го, теперь кажется, что все это они видели своими глазами. А ведь им панорамный снимок помог — он уже выставлен в Интернете.

Фото Вячеслав Хондырев

Как нужно фотографировать?

29 марта 2006 года в поселке Кемер на средиземноморском побережье Турции в ожидании начала полного затмения опытные наблюдатели делились секретами с начинающими. Самое главное на затмении — не забыть открыть объективы. Это не шутка, такое действительно случается. А еще не стоит дублировать друг друга, делая одинаковые кадры. Пусть каждый снимает то, что именно с его аппаратурой может получиться лучше, чем у других. Для наблюдателей, вооруженных камерами с широкоугольной оптикой, главная цель — внешняя корона. Надо постараться сделать серию ее снимков с разной выдержкой. Владельцы телеобъективов могут получить детальные изображения средней короны. А если у вас есть телескоп, то надо фотографировать область у самого края лунного диска и не тратить драгоценные секунды на работу с другой аппаратурой. И призыв тогда был услышан. А сразу после затмения наблюдатели стали свободно обмениваться файлами со снимками, чтобы собрать комплект для дальнейшей обработки. Позже это привело к созданию банка оригинальных снимков затмения 2006 года. Каждый теперь понимал, что от исходных снимков до детального изображения всей короны еще очень-очень далеко. Времена, когда любой резкий снимок затмения считался шедевром и окончательным результатом наблюдений, безвозвратно прошли. По возвращении домой всех ждала работа за компьютером.

Активное Солнце

Солнце, как и другие похожие на него звезды, отличается периодически наступающими состояниями активности, когда в его атмосфере в результате сложных взаимодействий движущейся плазмы с магнитными полями возникает множество неустойчивых структур. В первую очередь это солнечные пятна, где часть тепловой энергии плазмы переходит в энергию магнитного поля и в кинетическую энергию движения отдельных плазменных потоков. Солнечные пятна холоднее окружающей среды и выглядят темными на фоне более яркой фотосферы — слоя солнечной атмосферы, из которого к нам приходит большая часть видимого света. Вокруг пятен и во всей активной области атмосфера, дополнительно нагреваемая энергией затухающих магнитных полей, становится ярче, и возникают структуры, называемые факелами (видимые в белом свете) и флоккулами (наблюдаемые в монохроматическом свете от дельных спектральных линий, например, водорода).

Над фотосферой располагаются более разреженные слои солнечной атмосферы толщиной 10—20 тысяч километров, называемые хромосферой, а над ней на многие миллионы километров простирается корона. Над группами солнечных пятен, а иногда и в стороне от них часто возникают протяженные облака — протуберанцы, хорошо заметные во время полной фазы затмения на краю солнечного диска в виде ярких розовых дуг и выбросов. Корона — самая разреженная и очень горячая часть атмосферы Солнца, которая как бы испаряется в окружающее пространство, образуя непрерывный поток удаляющейся от Солнца плазмы, называемый солнечным ветром. Именно он придает солнечной короне лучистый вид, оправдывающий ее название.

«Бриллиантовое кольцо» затмения 30 июля 1981 года, снятое с самолета над Тихим океаном. Вверху в небе и внизу на облаках видна лунная тень. Фото ROGER RESSMEYER/CORBIS/RPG

По движению вещества в хвостах комет выяснилось, что скорость солнечного ветра постепенно увеличивается с удалением от Солнца. Удалившись от светила на одну астрономическую единицу (величина радиуса земной орбиты), солнечный ветер «летит» со скоростью 300—400 км/с при концентрации частиц 1—10 протонов на кубический сантиметр. Встречая на своем пути препятствия в виде планетных магнитосфер, поток солнечного ветра образует ударные волны, которые влияют на атмосферы планет и межпланетную среду. Наблюдая солнечную корону, мы получаем информацию о состоянии космической погоды в окружающем нас космическом пространстве.

Самыми мощными проявлениями солнечной активности являются плазменные взрывы, называемые солнечными вспышками. Они сопровождаются сильным ионизующим излучением, а также мощными выбросами горячей плазмы. Проходя через корону, потоки плазмы заметно влияют на ее структуру. Например, в ней образуются шлемовидные образования, переходящие в длинные лучи. По сути, это вытянутые трубки магнитных полей, вдоль которых с большими скоростями распространяются потоки заряженных частиц (в основном это энергичные протоны и электроны). Фактически видимая структура солнечной короны отражает интенсивность, состав, структуру, направление движения и другие характеристики солнечного ветра, постоянно воздействующего на нашу Землю. В моменты вспышек его скорость может достигать 600—700, а иногда и более 1000 км/с.

В прошлом корона наблюдалась только во время полных солнечных затмений и исключительно вблизи Солнца. В совокупности накопилось около часа наблюдений. С изобретением внезатменного коронографа (специального телескопа, в котором устраивается искусственное затмение) стало возможным постоянно следить с Земли за внутренними областями короны. Также всегда можно регистрировать радиоизлучение короны, причем даже сквозь облака и на больших расстояниях от Солнца. Но в оптическом диапазоне внешние области короны по-прежнему видны с Земли только в полной фазе солнечного затмения.

С развитием внеатмосферных методов исследований появилась возможность непосредственно получать изображение всей короны в ультрафиолетовых и рентгеновских лучах. Наиболее впечатляющие снимки регулярно поступают с космической Солнечной орбитальной гелиосферной обсерватории SOHO, запущенной в конце 1995 года совместными усилиями Европейского космического агентства и NASA. На снимках SOHO лучи короны очень длинные, да и звезд видно много. Однако в середине, в области внутренней и средней короны, изображение отсутствует. Искусственная «луна» в коронографе великовата и заслоняет гораздо больше, чем настоящая. Но иначе нельзя — слишком уж ярко светит Солнце. Так что съемка со спутника не заменяет наблюдений с Земли. Зато космические и земные снимки солнечной короны идеально дополняют друг друга.

SOHO также постоянно наблюдает за поверхностью Солнца, причем затмения ей не помеха, ведь обсерватория находится вне пределов системы Земля-Луна. Несколько ультрафиолетовых изображений, сделанных SOHO в моменты около полной фазы затмения 2006 года, были собраны воедино и помещены на место изображения Луны. Теперь видно, какие активные области в атмосфере ближайшей к нам звезды связаны с теми или иными особенностями в ее короне. Может показаться, что некоторые «купола» и зоны турбулентности в короне ничем не вызваны, но в действительности их источники просто скрыты от наблюдения на другой стороне светила.

«Русское» затмение

Очередное полное солнечное затмение в мире уже называют «русским», поскольку главным образом оно будет наблюдаться в нашей стране. Во второй половине дня 1 августа 2008 года полоса полной фазы протянется от Северного Ледовитого океана почти по меридиану до Алтая, пройдя точно через Нижневартовск, Новосибирск, Барнаул, Бийск и Горно-Алтайск — прямо вдоль федеральной трассы M52. Кстати, в Горно-Алтайске это будет уже второе затмение за два с небольшим года — именно в этом городе пересекаются полосы затмений 2006 и 2008 годов. Во время затмения высота Солнца над горизонтом составит 30 градусов: этого достаточно для фотографирования короны и идеально для панорамной съемки. Погода в Сибири в это время обычно хорошая. Еще не поздно приготовить пару фотоаппаратов и купить билет на самолет.

Это затмение никак нельзя пропустить. Следующее полное затмение будет видно в Китае в 2009 году, а потом хорошие условия для наблюдений сложатся только в США в 2017 и 2024 годах. В России же перерыв продлится почти полвека — до 20 апреля 2061-го.

Если соберетесь, то вот вам хороший совет: наблюдайте группами и обменивайтесь полученными снимками, присылайте их для совместной обработки в Цветочную обсерваторию: www.skygarden.ru . Тогда кому-то обязательно повезет с обработкой, и тогда все, даже оставшиеся дома, благодаря вам увидят затмение Солнца — увенчанную короной звезду.

Эдвард Кононович , Вячеслав Хондырев