Nowe spojrzenie na Słońce – dwie misje, które zbliżą się do naszej gwiazdy dziennej

Podczas gdy budujemy coraz lepsze narzędzia do wyglądania poza nasz Układ Słoneczny, dowiadujemy się coraz więcej o, zdawać by się mogło, bezkresnym morzu odległych gwiazd i ich planet. Ale jest tylko jedna gwiazda, do której możemy bezpośrednio dotrzeć i obserwować ją z bliska – to nasze Słońce.

Nadchodzące dwie misje kosmiczne zabiorą nas bliżej Słońca niż kiedykolwiek wcześniej, umożliwiając nam badanie niezwykłej złożoności aktywności słonecznej oraz rzucając światło na samą naturę przestrzeni i gwiazdy wypełniające cały Wszechświat.

Razem, wysyłana przez NASA sonda Parker Solar Probe oraz wysyłana przez ESA sonda Solar Orbiter mogą pomóc rozwiązać nierozwiązane od dziesięcioleci zagadki dotyczące procesów zachodzących we wnętrzu najbliższej nam gwiazdy. Ich kompleksowe badania Słońca prowadzone z bliska mogą mieć istotne implikacje na to jak żyjemy i badamy przestrzeń kosmiczną: energia pochodząca ze Słońca zasila życie na Ziemi, ale także odpowiada za zjawiska pogody kosmicznej, które moga stanowić zagrożenie dla technologii, na której coraz bardziej polegamy. Pogoda kosmiczna może zaburzać pracę urządzeń radiokomunikacyjnych, wpływać na satelity oraz członków załóg kosmicznych, a w najgorszym przypadku także powodować zakłócenia w pracy sieci energetycznych. Lepsze zrozumienie fundamentalnych procesów zachodzących na Słońcu i napędzających te zjawiska może poprawić naszą zdolność przewidywania momentu ich pojawienia się i ich skutków na Ziemi.

Naszym celem jest zrozumienie jak działa Słońce i jak wpływa na swoje otoczenie kosmiczne – mówi Chris St. Cyr, naukowiec projektu Solar Orbiter z NASA Goddard Space Flight Center. To nauka napędzana przede wszystkim naszą ciekawością.

Planowana data sartu sondy Parker Solar Probe to lato 2018 roku, a Solar Orbiter opuści ziemską atmosferę w 2020 roku. Obie misje były projektowane niezależnie od siebie, ale ich zbieżne cele naukowe nie są dziełem przypadku: Parker Solar Probe oraz Solar Orbiter to członkowie tego samego zespołu.

Obie sondy będą dokładniej przyglądać się dynamicznej zewnętrznej atmosferze Słońca, tak zwanej koronie. Z Ziemi korona widoczna jest tylko podczas całkowitego zaćmienia Słońca, gdy Księżyc blokuje większość intensywnego promieniowania gwiazdy i odsłania przed nami włóknistą, perłowo-białą strtukturę atmosfery. Jednak korona jest tak delikatna jak mogłoby sie wydawać podczas zaćmienia – większość zachowania korony jest nieprzewidywalna i niewiele o niej wiemy.

Naładowane elektrycznie gazy w koronie rządzone są przez prawa fizyki, z którymi mamy niewiele do czynienia w codziennym życiu na Ziemi. Poznanie praw, które sprawiają, że naładowane cząstki i pola magnetyczne tańczą i skręcają się tak jak to robią może pomóc nam lepiej rozszyfrować dwie tajemnice: co sprawia, że korona jest dużo gorętsza od pwierzchni Słońca, i co napędza bezustanny odpływ materii słonecznej, tzw. wiatru słonecznego.

Możemy obserwować koronę z daleka, a nawet badać wiatr słoneczny przelatujący w pobliżu Ziemi – ale to trochę przypomina mierzenie spokojnej rzeki  wiele kilometrów za wodospadem i próby zrozumienia źródła prądu tej rzeki. Dopiero niedawno opracowaliśmy technologię zdolną wytrzymać ciepło i promieniowanie w pobliżu Słońcu, dlatego też po raz pierwszy tak bardzo zbliżymy się do jego źródła.

Parker Solar Probe oraz Solar Orbiter wykorzystują różne technologie, ale jako misje będą się wzajemnie uzupełniały –  mówi Eric Christian, badacz z misji Parker Solar Probe. Obie sondy będą wykonywały zdjęcia korony słonecznej w tym samym czasie i będą widzieć częściowo te same struktury – to co się dzieje na biegunach Słońca i jak te same struktury wyglądają na równiku”.

Parker Solar Probe przetrze szlaki na zupełnie nowym terytorium zbliżając się do Słońca bardziej niż jakakolwiek sonda w historii – na odległość zaledwie 5 milionów kilometrów od powierzchni. Obecny rekordzista w tym względzie, sonda Helios B z końca lat siedemdziesiątych dotarła osiem razy dalej.

Z tego miejsca w przestrzeni cztery zestawy instrumentów naukowych zainstalowane na pokładzie Parker Solar Probe będą wykonywały zdjęcia wiatru słonecznego i badały pola magnetyczne, plazmę i energetyczne cząstki – odkrywając przed nami prawdziwą anatomię  zewnętrznej atmosfery Słońca. Zebrane w ten sposób informacje powinny rzucić nowe światło na tak zwany problem ogrzewania koronalnego dotyczący sprzecznego z intuicją faktu, że temperatury korony sięgają nawet kilku milionów stopni Celsjusza podczas gdy temperatura powierzchni Słońca – fotosfery – oscyluje wokół ok. 5700 stopni. To tak jakby odchodząc od ogniska odczuwać coraz to wyższą temperaturę.

Sonda Solar Orbiter zbliży się do Słońca na około 50 milionów kilometrów poruszając się po bardzo nachylonej orbicie, dzięki której będziemy w stanie wykonać pierwsze w historii bezpośrednie zdjęcia biegunów Słońca, obszarów naszej gwiazdy, których zbyt dobrze nie znamy, a które mogą skrywać klucze do zrozumienia tego co napędza ciągłą aktywność i erupcje na Słońcu.

Zarówno Parker Solar Probe jak i Solar Orbiter będą badały dominujący wpływ Słońca na Układ Słoneczny: wiatr słoneczny. Słońce bezustannie wyrzuca z siebie strumień namagnetyzowanego gazu, który wypełnia cały układ słoneczny. Ten wiatr słoneczny oddziałuje z polami magnetycznymi, atmosferami, a nawet powierzchnią globów krążących wokół Słońca. Na Ziemi takie interakcje powodują powstawanie zorzy polarnych, a czasami także zakłócają sysemy komunikacji i sieci energetyczne.

Dane z poprzednich misji przekonały naukowców, że korona Słońca przyczynia się do procesu przyspieszania cząstek, rozpędzając je do potężnych prędkości. Obecnie, wiatr słoneczny musi przebyć 150 milionów kilometrów, aby dotrzeć do sondy, która go mierzy – to spora odległość, gdzie po drodze gaz miesza się z innymi cząstkami przemierzającymi przestrzeń tracąc część swoich charakterystycznych cech. Parker Solar Probe będzie w stanie badać cząstki wiatru słonecznego tam gdzie się tworzą i dopiero opuszczają koronę, i przesłać na Ziemię jedne z najczystszych pomiarów wiartu słonecznego w historii. Położenie sondy Solar Orbiter, które dostarczy nam dobrego widoku na bieguny Słońca, uzupełni badania wiatru słonecznego przez PSS, ponieważ pozwoli naukowcom sprawdzić jak struktura i zachowanie wiatru słonecznego zmienia się w zależności od szerokości.

Ilustracja przedstawiająca Parker Solar Probe zbliżającą się do Słońca. Źródło: JHUAPL

Sonda Solar Orbiter wykorzystaja także swoją nietypową orbitę do lepszego zrozumienia pola magnetycznego Słońca; w pobliżu biegunów Słońca zachodzą jedne z najciekawszych procesów magnetycznych, ale z uwagi na fakt, że Ziemia krąży wokół Słońca po orbicie, której płaszczyzna pokrywa się z równikiem Słońca, nie mamy jak dostrzec tego co się dzieje na biegunie naszej Gwiazdy Dziennej – to trochę tak jakbyśmy chcieli zobaczyć co jest na szczycie Mt Everestu z bazy u podnoży góry.

Źródło: NASA Goddard Space Flight Center