Теоретические рассуждения о возможности света оказывать давление восходят к XVII в. Первым важным приложением этой идеи стала «фонтанная теория» кометных форм Бесселя, выдвинутая после того, как этот немецкий астроном обнаружил при наблюдении кометы Галлея, вновь появившейся в 1835 г., что вещество кометы, выброшенное ядром в направлении Солнца, оттесняется назад, и ее голова выглядит подобно фонтану (ил. 206). В его распоряжении имелось множество исторических зарисовок, которые могли подтвердить идею давления солнечного света. В качестве подтверждения мы можем воспользоваться, например, гравюрой Томаса Райта из Дарема (ил. 207). Бессель не мог сказать ничего определенного о механизме, но то, что это была какая-то сила, связанная с Солнцем, казалось неопровержимым. Он попытался рассчитать воздействие реактивной силы на орбитальный период кометы, но не добился сколько-нибудь значимого результата. К сожалению, кометы нечасто бывают видны в проекции сбоку, поэтому анализ наталкивается на определенные трудности, но Бессель, будучи великолепным математиком, рассчитал, используя разнообразные законы солнечного отталкивания, наиболее вероятные видимые формы. Его теория прошла долгий путь к объяснению форм кометных хвостов. Фонтаноподобная форма оказалась не редкостью. Замечательным примером была в данном случае комета Донати 1858 г., продолжавшая испускать фонтанные огибающие кривые в течение нескольких недель (ил. 208).

Существовало общее (но ошибочное) убеждение, что если удастся провести эксперимент, доказывающий существование светового давления, то это может служить обоснованием правильности корпускулярной теории света. Забавно читать роман Жюля Верна «Из пушки на Луну», опубликованный в 1867 г., где главный герой настаивает: транспортными средствами будущего станут реактивные снаряды, движимые электричеством или светом. Физики не имели единого мнения о существовании этого феномена вплоть до 1873 г., когда Джеймс Клерк Максвелл привел в своем «Трактате об электричестве и магнетизме» формальное доказательство, выводимое из его теории электромагнетизма, на основе которой могло быть установлено точное значение светового давления. В 1900 г. российский физик Петр Николаевич Лебедев наконец экспериментально продемонстрировал едва заметное давление, оказываемое светом на тела. Все это имело многочисленные последствия для астрофизики в долгосрочной перспективе. Совершенно отдельно от его вероятного воздействия на кометные хвосты это означало также следующее: давление света звезд на атомные частицы в межзвездном пространстве больше не может игнорироваться, и это давление играет какую-то роль в ограничении размеров звезд – давление излучения как бы сдувает их внешние слои.

В 1943 г. Куно Хофмейстер (основатель Зоннебергской обсерватории в Германии) предположил, что солнечное излучение придает направление кометным хвостам не столько светом, сколько частицами, из которых оно состоит. Он обосновал свое убеждение, основываясь на собранных фотографических свидетельствах, однако лишь его соотечественник Людвиг Бирман сумел в 1951 г. синтезировать в единую форму теорию кометных хвостов и теорию излучения, исходящего от Солнца. Он обнаружил, что ионы кометного хвоста приводятся в движение не столько отдельными нейтральными атомами или молекулами, сколько непрерывным высокоскоростным потоком плазмы, разогретой до миллиона градусов, которая состоит из ионизированного газа, идущего от Солнца. Однако убедительного объяснения этого корпускулярного излучения не было вплоть до 1958 г., когда Юджин Паркер из Чикагского университета исследовал равновесную структуру короны, возникающую при взаимодействии гравитации с тепловыми скоростями составляющих ее частиц. Каковы условия возникновения того, что можно рассматривать как «испарение» частиц? Модель, основанная на поведении таких атмосфер, как у Земли, ни к чему не приведет. Паркер обнаружил, что в обычно предполагаемое состояние равновесия вмешивается теплопроводность. В итоге он пришел к выводу, что самые верхние слои короны утекают от Солнца со скоростями, сопоставимыми с предсказанными Бирманом для его частиц излучения.

Истекающий поток назвали «солнечным ветром». Довольно быстро осознали, как во время прохождения через Солнечную систему он сметает газы, испаряемые планетами и кометами, метеорную пыль и даже воздействует на галактические космические лучи. (На данный момент мы можем сказать вкратце, что космические лучи включают в себя высокоэнергетические заряженные частицы, которые попадают на Землю как из внешнего пространства, так и от Солнца. В их число входят электроны, позитроны, ионы, альфа-частицы и протоны.) Оглядываясь назад, можно отыскать много более ранних находок, которые могли служить предвосхищением этого открытия, и будет уместно перечислить их, хотя бы для демонстрации их разнообразия. Например, как отметил Аннибале Рикко из Палермской обсерватории, специалист в области физики Солнца уже в 1892 г., земные магнитные бури начинаются через 40–45 часов после прохождения больших групп солнечных пятен. Поэтому он решил, что бури должны вызываться некими посредниками, движущимися от Солнца со скоростью около 1000 километров в секунду. В 1896 г. норвежский физик Олаф Кристиан Биркеланд высказал предположение о существовании электрически заряженного корпускулярного излучения, которое втягивается земным магнитным полем вблизи полюса и порождает северное полярное сияние (aurora boreales – северный свет). С возникновением телефонии и радиокоммуникации были обнаружены возмущения земного магнитного поля, создающие помехи передаче сигналов, и позже удалось установить, что они также коррелируют с солнечными вспышками. Около 1930 г. Сидни Чепмен и В. К. А. Ферраро разработали теоретическую модель этого процесса. Облако ионов, испущенных Солнцем, как они рассчитали, будет двигаться со скоростью от 1000 до 2000 километров в секунду и достигнет Земли через одни или двое суток, проявившись в виде магнитных бурь с известным поведением. Затем, в конце 1940‐х гг., Скотт Эллсуорт Форбуш открыл, что попадающие на Землю космические лучи обладают пониженной энергией, когда Солнце активно, и быстро идут на спад во время магнитных бурь. Он интерпретировал это как признак блокировки галактических космических лучей магнитным полем, переносимым от Солнца потоком заряженных частиц. Однако только после опубликования работы Людвига Бирмана о кометных хвостах и дополнения ее моделью механизма солнечного ветра, разработанной Юджином Паркером, эти ранние находки начали обретать свое место. И наиболее убедительным подтверждением из всех стало измерение плотностей и скоростей частиц in situ, которое началось в 1959 г. посредством инструментов, находящихся на борту советских космических аппаратов «Луна-2» и «Луна-3», а затем – американским «Вояджером-2». После этого модель Паркера получила широкое подтверждение.

Как показали эти и последующие исследования, к тому времени, когда солнечный ветер достигает Земли, он обладает чрезвычайно малой плотностью – от одной до 30 частиц на кубический сантиметр, что гораздо ниже плотности лучшего лабораторного «вакуума». Несмотря на это, ветер кардинальным образом воздействует на магнитосферу Земли и насыщает огромной энергией многие происходящие в ней процессы. Магнитосфера представляет собой полость, создаваемую в результате столкновения солнечного ветра с магнитным полем Земли. Она простирается примерно на десять земных радиусов в направлении Солнца и в сто раз дальше в противоположную сторону. Солнечный ветер не может в нее проникнуть. Он, как было установлено, состоит из протонов с примесью гелия, кислорода и других элементов, движущихся со средней скоростью порядка 400 километров в секунду, и простирается далеко за пределы самых далеких планет Солнечной системы. Однако для тех, кто работал в этой области, постепенно становилось ясно: свойства солнечного ветра варьируются в широких пределах и поэтому простых моделей недостаточно. Совершенно независимо от громадных колебаний плотности его скорость может меняться от 300 до 1000 километров в секунду. Было обнаружено, что сама корона обладает сложной структурой с дырами (выявленными с помощью рентгеновского излучения) в тех местах, откуда приходят наиболее быстрые потоки солнечного ветра.

Теперь уже должно быть ясно, каким образом совсем небольшие по объему спектроскопические исследования XIX в. выросли в следующем столетии в чрезвычайно мощное астрономическое направление. То, что эти ранние открытия связаны с исследованиями кометных хвостов, замечательно само по себе, но путь, который они проложили к лучшему пониманию строения Солнца, а также к пониманию солнечного и земного магнетизма и даже самих основ фундаментальной физики, является прекрасным примером интуитивной прозорливости. Существовало так много парадоксов, ожидавших своего разрешения. Оказалось не так уж просто привыкнуть к мысли, что два главных компонента короны, водород и гелий, посылают нам очень мало света. Это стало легче поддаваться пониманию после того, как признали, что они обладают высокой температурой: водород и гелий утратили свои электроны, и источником очень тонкого свечения во время затмений являются более тяжелые атомы. И даже в таких обстоятельствах атомы железа могут запросто утратить половину своих 26 электронов. Однако это было только началом. Проводились исследования воздействия плазмы на земные полярные сияния, как северные, так и южные; но в космическом масштабе более важным является тот факт, что со времени открытия природы короны плазма с низкой плотностью, разогретая до чрезвычайно высоких температур, была обнаружена повсюду во Вселенной. Ее нашли в атмосферах других звезд, в остатках сверхновых и во внешних областях галактик. Плазма с низкой плотностью может достигать столь высоких температур за счет того, что она почти не излучает. Световые кванты при таких температурах включают ультрафиолет и мягкий рентген. Посредством регистрации поглощения света гелием и излучения рентгеновских лучей звездами, похожими на наше Солнце, удалось обнаружить, что короны не просто существуют, а представляют собой широко распространенное явление. Идея о существовании корония была иллюзорной, но она имела весьма реальные и поразительные последствия.