Лекции о Солнце

Хэйлу пришлось подождать, пока на Солнце появится крупное пятно. К тому времени у ученого был в распоряжении новый замечательный прибор – в 1907 году на обсерватории Маунт-Вилсон под его руководством был сооружен 18-метровый башенный солнечный телескоп с большим спектрографом. Спектрограф давал хорошее спектральное разрешение: масштаб изображения спектра был достаточно велик, чтобы можно было детально исследовать форму контуров спектральных линий – линии были «растянуты» вдоль спектра. Специальная поляризационная оптика, установленная перед щелью спектрографа, позволяла определить, поляризован ли свет в спектральных линиях, и если да, то в каком направлении.

25 июня 1908 года Джордж Хэйл нашел экспериментальное подтверждение своей гипотезе. Спектральные линии, наблюдавшиеся в свете крупного солнечного пятна, расщепились, как и предсказывал эффект Зеемана, и оказались поляризованными – в точности так, как это и должно было случиться при наличии сильного магнитного поля в солнечном пятне!

Открытие было сделано. Пятна оказались местами, где на Солнце развивались мощные магнитные поля. Но для подробных исследований возможностей башенного телескопа, дававшего 17-сантиметровое изображение диска Солнца, не хватало. Блестящие способности организатора, присущие Хэйлу, проявились в очередной раз: Фонд Карнеги снова выделил средства!

В 1912 году на горе Маунт-Вилсон был введен в строй фантастический по тем временам инструмент: 45-метровый башенный солнечный телескоп. В комплект этого гигантского инструмента был введен новый большой спектрограф с фокусным расстоянием 22,5 м (предыдущий спектрограф имел 5,5-метровый фокус). Новая техника позволяла различать подробности формы контуров спектральных линий, совершенно недоступные в прошлом! Хэйлу удалось выполнить впечатляющий цикл исследований солнечного магнетизма, установить ряд важных закономерностей, накопить большую статистику.

Как писали австралийские гелиофизики Р. Брэй и Р. Лоухед, период с 1905 про 1930 год в солнечной физике можно назвать эрой Маунт-Вилсон: именно здесь был сделан настоящий прорыв в понимании того, что же такое Солнце и каковы физические условия на нашем светиле.

Рис. 13. Солнечные пятна – области сильных магнитных полей

Итак, вторая половина XIX – начало XX века обеспечили гигантский скачок в процессе накопления наших знаний о Солнце и прежде всего – на основе спектрального анализа. Как уже отмечалось выше, оказалось, что спектры Солнца несут в себе огромный объем информации о нашем светиле. Распределение энергии в спектре, равно как и прямые измерения интенсивности приходящих от Солнца лучей, дали возможность определить температуру фотосферы. Стало очевидно, что этот слой может быть только газообразным. Исследование фраунгоферовых линий в спектре светила позволило определить не только химический состав излучающего фотосферного газа, но и лучевые (вдоль луча зрения) скорости излучающего газа в той области, на которую наведена щель спектрографа. Анализ формы контура спектральных линий, обнаружение эффекта расщепления позволили сделать вывод о присутствии на Солнце мощных магнитных полей внутри солнечных пятен.

Еще одно фундаментальное открытие, сделанное в 1913 году немецким физиком Иоганном Штарком (1874–1957), позволило обнаружить, что линии расщепляются под влиянием не только магнитного, но и электрического поля (Нобелевская премия 1919 года). Позднее оказалось, что эффект Штарка наблюдается и на Солнце, преимущественно в сильных солнечных вспышках.

Не лишним будет повторить: спектральный анализ дает массу данных о физических условиях на Солнце. Спектроскопист должен учитывать, что контур линии, как правило, несет в себе вклад разных физических факторов: могут одновременно проявляться и эффект Доплера, и эффект Зеемана, причем в большинстве случаев происходит наложение вкладов от разных структур на Солнце на разных высотах. Это означает, что исключать один из эффектов можно, переходя к другим линиям (разные линии проявляют разную чувствительность к влиянию разных факторов) или к другим участкам солнечной поверхности. Постановка наблюдательного эксперимента и его последующая интерпретация – это «высший пилотаж» в солнечной астрофизике, требующий высокого уровня профессионализма и физической интуиции. Это очень трудная часть гелиофизики, но здесь велика и отдача…