«У вас 24 часа до облучения». Суперкомпьютер предскажет протонные удары по пути Artemis II на Луну

Во время миссии Artemis II NASA проверит две новые системы прогноза солнечной радиации, созданные в Инженерной школе Мичиганского университета. Разработка нужна для полетов за пределами магнитного поля Земли, где астронавты лишаются естественной защиты от космической погоды. Новые модели должны предупреждать об опасных потоках частиц за 24 часа до события, а не в последний момент, когда времени на подготовку почти не остается.

Испытания проходят в особенно напряженный момент. Artemis II стартует в период максимума 11-летнего солнечного цикла, когда на Солнце чаще возникают вспышки и выбросы вещества. Один крупный выброс произошел буквально на этой неделе. Для лунной миссии такая обстановка особенно важна: корабль летит туда, где уже не работает привычный земной щит от заряженных частиц.

Главную угрозу несут протоны - частицы из ядер атомов. Обычно они входят в состав солнечного ветра, то есть потока заряженного газа, который постоянно уходит от Солнца. Во время вспышек и извержений солнечного вещества ударные волны разгоняют протоны почти до скорости света. После крупного выброса поток может добраться до Земли всего за несколько минут. Для человека в космосе риск вполне конкретный: такие частицы повреждают клетки, рвут цепочки ДНК и со временем повышают вероятность рака. При очень высоких дозах, которые бывают лишь в редких и самых сильных солнечных событиях, без достаточной защиты возможны и острые симптомы вроде тошноты. NASA отдельно подчеркивает, что Orion рассчитан на серьезную радиационную защиту и должен удерживать дозу ниже опасных уровней.

На случай ухудшения космической погоды у экипажа есть и практический план. Астронавты могут быстро перестроить внутреннее пространство корабля: вынуть часть оборудования из отсеков и закрепить его вдоль нужных участков кабины, чтобы получить более толстый защитный барьер между собой и потоком частиц. После такой перестановки экипаж сможет продолжать работу в более безопасных условиях.

За радиационной обстановкой следит Space Radiation Analysis Group, подразделение NASA, которое работает с датчиками на борту Orion. Операторы передают данные в центр управления полетом и предупреждают экипаж, если ситуация меняется слишком быстро. Проблема в другом: внезапный сигнал помогает уже в момент угрозы, а не заранее. Новая система Мичиганского университета нужна именно для того, чтобы выиграть время. Модель машинного обучения каждый день будет оценивать вероятность опасного радиационного события примерно так же, как погодный сервис показывает вероятность дождя по часам. Во время миссии расчет будут запускать ежедневно как демонстрацию того, что такая технология годится для реальной работы.

Для прогноза модель использует спутниковые снимки Солнца и его короны, внешней разреженной оболочки. Данные приходят сразу с двух аппаратов. Solar Dynamics Observatory снимает все Солнце и его магнитное поле в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Solar and Heliospheric Observatory наблюдает корону, а также измеряет параметры частиц и химических элементов в ней. Исследователи круглосуточно следят за магнитной эволюцией Солнца, вспышками и выбросами, чтобы понять, накапливается ли дополнительная энергия, способная перейти в опасное событие.

Нейросеть обучали на большом архиве изображений, собранных за десятилетия работы приборов: с 2010 года для SDO и с 1995 года для SOHO. По этим данным система училась распознавать состояние Солнца прямо перед началом протонной бури. Но у такого подхода есть ограничение: модель выдает только вероятность опасного события. Она не объясняет, насколько сильной окажется буря, когда именно поток дойдет до Земли и Луны и как долго продержится опасный уровень радиации.

Чтобы ответить на все вопросы, команда подготовила вторую систему - уже не статистическую, а физическую. Она рассчитывает, когда вспышка или выброс вещества действительно направят поток частиц к Земле и Луне, и оценивает, как долго радиационный фон будет оставаться опасным. Авторы считают модель более продвинутой по сравнению с действующими аналогами, потому что она описывает поведение солнечных энергичных частиц прямо в короне, где ускорение начинается и достигает наибольшей силы. Такая возможность появилась благодаря модели солнечной короны, опубликованной мичиганскими учеными ещё в 2014 году. Надежная альтернатива существует, но для оперативного прогноза работает слишком медленно.

Физическая модель будет работать на протяжении всей миссии, но после каждой вспышки ей нужен новый ввод данных от человека. Офис NASA Moon to Mars будет загружать в базу измерения скорости солнечных выбросов, после чего мичиганская система автоматически пересчитает возможную дозу радиации. Ради скорости под задачу заранее попросили 3000 вычислительных узлов на суперкомпьютере NASA. Такая мощность нужна не ради запаса, а потому, что времени почти нет: опасные частицы летят к Земле слишком быстро.

Пока речь идет о проверке в реальной миссии, а не о штатном инструменте для всех пилотируемых полетов. Но смысл эксперимента понятен уже сейчас. Для лунных экспедиций и тем более для будущих маршрутов к Марсу мало просто иметь крепкий корабль и датчики на борту. Нужен прогноз, который даст экипажу хотя бы несколько лишних часов на подготовку.