Юджин Паркер. Человек и солнечный зонд

Professor Gene Parker on campus, May 18, 2017. (Photo by Jean Lachat)

Илья Усоскин,

Университет Оулу.

15 марта 2022 в возрасте 94 лет умер Юджин Паркер (Eugene Newman Parker, Рис. 1), гениальный астрофизик-теоретик, раздвинувший границы нашего понимания природы вещей.

Последние годы я читаю несколько курсов лекции на «продвинутом» (advanced, т.е., для магистров и аспирантов) уровне по солнечной и гелиосферной физике и физике космических лучей. И через каждый курс стержнем проходит имя Юджина Паркера – «уравнение Паркера», «Паркеровская спираль», «Паркеровское динамо»… Несколько лет назад, на крупной международной конференции, ко мне подбежала аспирантка из нашей группы и сказала:

– Смотрите, там дядечка с бейджиком Е. Паркер, однофамилец, наверное. Забавно!

– Ничего забавного, – ответил я. – Это и есть Паркер.

– Тот самый, о котором вы рассказывали на лекции?

– Именно тот самый!

– А я думала, он давно умер, как Эйнштейн.

И вот теперь он действительно умер.

 

Юджин Паркер был одним из последних представителей великих физиков-одиночек. Современная физика, особенно астрофизика, давно уже не делается индивидуально – мелкие, крупные и громадные коллаборации строят приборы разной сложности и точности, получая потоки информации, которые человеческий мозг не в состоянии обработать без быстрых процессоров, мощнейшие суперкомпьютеры гоняют детальные численные модели, статьи с открытиями включают сотни соавторов… Времени на «подумать» почти не остается. Однако, в середине прошлого века физика делалась на бумаге или на школьной доске. Физики пытались представить себе поведение природы, основываясь, во многом, на мысленных экспериментах и общих принципах. Юджин Паркер был одиночкой, который, по сути, мелком на доске «создал» основы современной солнечной и гелиосферной физики, взломав существовавшие тогда парадигмы.

В 1956 году молодой Паркер вошел [1] в состав группы известного астрофизика Джона Симпсона (John Simpson) в Чикагском университете, и одной из первых его задач было окончательно и бесповоротно закрыть гипотезу о том, что Солнце постоянно испускает поток частиц (плазмы). Эту идею предложил немецкий ученый Людвиг Бирман (Ludwig Biermann), который изучал кометы и настаивал, что только так можно объяснить наблюдаемые кометные хвосты. Бирман даже оценил скорость постоянного потока вещества, необходимую для формирования кометных хвостов, ~500 км/сек. Однако это не укладывалось в рамки общепринятой тогда концепции, созданной, в частности, Сиднеем Чапманом (Sydney Chapman), о статической гигантской короне Солнца, простирающейся до орбиты Земли и дальше. По мнению Симпсона, постоянное истечение вещества из Солнца с такой скоростью исключено, поскольку это противоречит физическим принципам (гравитация), да и Солнце потеряло бы всю свою массу за 4 миллиарда лет существования. Получив задание, Паркер удалился. Вернулся он через несколько месяцев и заявил, что Бирман прав, солнечная корона не может быть статичной, вроде атмосферы Земли, но является очень динамичной и должна постоянно выбрасывать плазму со скоростью около 400 км/сек – так получается из его, Юджина Паркера, расчетов, и он планирует опубликовать этот вывод в научном журнале. Профессор Симпсон возражать не стал (молодежь надо учить уму-разуму), но запретил включать свое имя в список авторов. И Паркер в одиночку послал статью в Astrophysical Journal, где редактором тогда был знаменитый Субраманян Чандрасекар (Subrahmanyan Chandrasekhar). Статья получила две отрицательных рецензии из категории «этого не может быть, потому что не может быть никогда» и, по правилам, должна была быть отвергнута. Однако, Чандрасекар был великим ученым и тоже работал в Чикаго – он просто зашел в кабинет Паркера и сказал, что рецензии отрицательные, но без указания на конкретные ошибки в расчетах, и что он (Чандрасекар) тоже проверил выкладки и не нашел ошибок. «Я считаю, что ваша идея нелепа, но не хочу убивать её» – сказал Чандрасекар и опубликовал статью своей редакторской властью [3] (см. Рис. 2). Суть пионерской работы Паркера заключалась в том, что совокупность нескольких параметров (вертикальный градиент плотности вещества в короне, сферическая геометрия, а также гравитация) может создавать условия для ускорения газа или плазмы до сверхзвуковых[2] скоростей, и такие условия хорошо выполняются для короны Солнца. Пакер назвал такой поток «солнечным ветром». Опубликованная работа вызвала интерес, скорее, даже любопытство, но через два года советский космический аппарат Луна-2 обнаружил присутствие постоянного потока плазмы в космосе [4], а чуть позже американские аппараты Explorer-10 [5] and Mariner-2 [6] измерили его физические параметры, которые оказались именно такими, как предсказывала Паркеровская теория. Так солнечный ветер, теоретически предсказанный Паркером, был открыт экспериментально. Если вернуться к возражениям Симпсона, то Солнце за все время существования потеряло не более одной десятитысячной доли своей массы в виде солнечного ветра, что меньше, чем потеря массы, вызванная ядерными реакциями в его недрах.

Юджин Паркер сразу понял всю важность солнечного ветра и быстро предсказал ряд связанных с ним явлений. Поскольку в плазме солнечного ветра выполняется условие «вморожености» магнитного поля, он выносит магнитное поле из короны Солнца в межпланетное пространство и формирует гелиосферу, то есть область, полностью контролируемую, в магнитогидродианмическом смысле, солнечным ветром и магнитным полем. Солнечный ветер взаимодействует с планетными магнитосферами, формируя их структуру, в том числе у Земли, а также приводит к модуляции галактических космических лучей в гелиосфере.

Паркер был также пионером в развитии теории солнечного динамо, объясняющего наблюдаемый 11-летний цикл солнечной активности с чередованием полоидальной и тороидальной структур солнечного магнитного поля. В то время, как первая фаза солнечного цикла (превращение полоидального поля в тороидальное) достаточно просто объясняется дифференциальным вращением (экватор вращается быстрее, чем полярные области) конвективной зоны Солнца (так называемый Ω-эффект), обратный процесс гораздо сложнее. Паркер первым предположил, что существенную роль в этом процессе играет сила Кориолиса, которая систематически закручивает всплывающие магнитные трубки и приводит к нарушению симметрии (так называемый α-эффект). Таким образом, формируется замкнутый цикл процессов (αΩ-динамо), соответствующий солнечному циклу активности.

Одной из основных проблем солнечной физики является нагрев короны до высокой температуры в несколько миллионов градусов. И тут Юджин Паркер был пионером. Он сформулировал идею о том, что корона разогревается большим количеством небольших импульсных выделений энергии, которые он назвал нано-вспышками (nanoflares). Хотя проблема горячей короны все еще полностью не разрешена, нано-вспышки были обнаружены, и их роль в разогреве короны подтверждена.

Кроме того, он внес существенный вклад в другие области астрофизики, например в понимание процессов формирования магнитных полей в Галактике (неустойчивость Паркера), распространения космических лучей (уравнение Паркера), занимался магнитными монополями (Паркеровский предел), и т.д.

 

Юджин Паркер самостоятельно «создал» (теоретически обосновал) и свел в единую систему всю современную гелофизику, включая физику Солнца (солнечное динамо) и короны, солнечный ветер и гелиосферу, магнитосферы планет и модуляции космических лучей. Его ключевые статьи были написаны в одиночку, без соавторов. Он уникально понимал, чувствовал физику, и только потом записывал урвнения. Например, он просто взял и написал знаменитое уравнение, описывающее транспорт космических лучей в магнитных полях (уравнение Паркера), потому оно должно быть именно таким. Строгий же вывод этого уравнения был получен позже советскими физиками А.З. Долгиновым и И.Н. Топтыгиным [7].

Заслуги Паркера в гелиофизике столь значимы, что в его честь прижизненно, вразрез с существующими традициями, была названа космическая лаборатория Parker Solar Probe для исследования Солнца и короны с близкого расстояния (запущена в 2018 году). Паркер являлся обладателем множества престижных премий, медалей и призов, но он так и не получил самую престижную награду в мире науки – Нобелевскую премию. Несколько раз он был номинирован (по неофициальной информации), но лауреатами становились другие, несомненно, тоже достойные физики. Теперь он уже никогда не станет Нобелевским лауреатом, но навсегда останется «творцом» целой области науки.

Эпоха великих одиночек заканчивается.

 

[1] Kane, P.R. (2009) Early history of cosmic rays and solar wind – Some personal remembrances, Adv. Space Res., 44, 1252.

[2] Parker, E.N. (1997) The martial art of scientific publication, EOS Trans., 78, 37, 391.

[3] Parker, E.N (1958) Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields, Astrophys. J., 128, 664.

[4] Грингауз, К.И., В. В. Безруких, В. Д. Озеров, Р. Е. Рыбчинский, “Изучение межпланетного ионизованного газа, энергичных электронов и корпускулярного излучения Солнца при помощи трехэлектродных ловушек заряженных частиц на второй советской космической ракете”, Докл. АН СССР, 131:6 (1960), 1301.

[5] Bridge, H.S. , C. Dilworth, A.J. Lazarus, et al. (1962) Direct Observations of the Interplanetary Plasma, J. Physical Soc. Japan, 17, 553.

[6] Neugebauer, M. and C.W. Snyder (1962) Solar Plasma Experiment, Science, 138, 1095

[7] Долгинов А.3., И.Н. Топтыгин (1966) Многократное рассеяние частиц в магнитном поле со случайными неоднородностями // ЖЭТФ.—51, вып. 6.— С. 1771— 1783.

[1] Автор не мог быть личным свидетелем этих событий, а основывается на воспоминаниях очевидцев, частично изложенных в публикациях [1,2].

[2] Под «сверхзвуковыми» понимаются скорости, превышающие скорость распространения Альвеновских и магнитозвуковых волн.