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.

  21.03.2022