Sonda kosmiczna która wleci w koronę Słońca

Credit: NASA

11 sierpnia br. NASA planuje wynieść w przestrzeń kosmiczną pierwszego satelitę, który powędruje wgłąb orbity Wenus i Merkurego, aby dotknąć samej krawędzi korony Słońca.

Wyposażony w instrumenty zaprojektowane i zbudowane na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, satelita Parker Solar Probe pozwoli nam osiągnąć cel, o którym naukowcy marzyli od wielu dekad: zbliży się do Słońca na tyle, aby sprawdzić jak burzliwa powierzchnia naszej Gwiazdy Dziennej przenosi energię do korony i podgrzewa ją do ponad miliona stopni Celsjusza, wytwarzając w ten sposób wiatr słoneczny, który bezustannie bombarduje wszystkie planety Układu Słonecznego.

“Jest to ten fragment heliofizyki, którego poznania pragnęliśmy od dawna, od lat pięćdziesiątych XX wieku” mówi Stuart Bale, profesor fizyki na UC Berkeley i jeden z czterech głównych badaczy odpowiadających za instrumenty zainstalowane na pokładzie sondy. “Osobiście, pracuję nad projektem sondy od momentu jej zatwierdzenia w 2010 roku, ale tak naprawdę spędziłem większą część swojego życia zawodowego przygotowując się do tego zadania”.

Słoneczna sonda będzie najszybszą naszą sondą w historii, w kulminacyjnym momencie osiągającą prędkość 690 000 kilometrów na godzinę. Co więcej w 2024 roku sonda dotrze także na odległość równą zaledwie 4,5 promieni Słońca od powierzchni gwiazdy czyli jakieś 6 milionów kilometrów. Parker Solar Probe wyposażona jest w osłonę termiczną, która będzie chroniła jej czujniki przed ciepłem słonecznym, którego temperatura może sięgnąć 1400 stopni Celsjusza, czyli niemal tyle ile trzeba, aby stopić stal.

W tej odległości, sonda znajdzie się w obszarze, w którym elektrony i zjonizowane atomy – głównie jony wodoru – protony oraz jony helu – cząstki alfa są przyspieszane i kierowane z ogromną prędkością w przestrzeń międzyplanetarną.

Gdy takie jony, zwane wiatrem słonecznym, uderzają w Ziemię, oddziałują z polem magnetycznym Ziemi prowokując powstawanie zórz polarnych oraz burz w najbardziej zewnętrznych warstwach atmosfery, które z kolei zaburzają komunikację radiową oraz działanie satelitów na orbicie okołoziemskiej. Przyspieszone do większych prędkości, tak zwane wysokoenergetyczne cząstki słoneczne mogą także stanowić zagrożenie dla astronautów.

Naukowcy wciąż nie wiedzą jak jony wiatru słonecznego są przyspieszane oraz dlaczego jony i elektrony w koronie są dużo gorętsze niż powierzchnia Słońca, której temperatura to zaledwie 5700 stopni Celsjusza. Sonda Parker Solar Probe może odpowiedzieć na te pytania oraz pomóc naukowcom na Ziemi przewidywać duże erupcje na powierzchni Słońca, które mogą stanowić największe zagrożenie dla naszych satelitów i systemów komunikacyjnych.

FIELDS – zestaw instrumentów zbudowanych w Space Sciences Laboratory na UC Berkeley jest jednym z czterech pakietów instrumentów zainstalowanych na pokładzie sondy. Dzięki dwumetrowemu wysięgnikowi skierowanemu w kierunku ruchu sondy, będzie on mierzył pola elektryczne i magnetyczne w koronie, co pozwoli naukowcom określić łączną ilość energii wypływającej na zewnątrz ze Słońca.

Pomiary te pozwolą przetestować jedną teorię ogrzewania korony przez Słońce: poprzez zaburzanie linii pola magnetycznego. Silne pole magnetyczne Słońca rozciąga się daleko w przestrzeń, ale linie pola magnetycznego przymocowane są do obszarów powierzchni, które bezustannie się przemieszczają z uwagi na procesy konwekcyjne zachodzące poniżej niczym w gotującej się wodzie. Bezustanny ruch podstawy linii pola magnetycznego tworzy fale, które przemieszczają się na zewnątrz wzdłuż linii, tak samo jak wzburzenie jednego końca długiej liny  przenosi powstałą falę do jej drugiego końca. W jakiś sposób te tak zwane fale Alfvena przyspieszają cząstki do dużych prędkości i wyrzucają je w przestrzeń kosmiczną.

 

 

“Jeżeli model napędzania falami jest prawidłowy, to uważam, że nasze pomiary będą najważniejszymi pomiarami w trakcie całej misji” mówi Bale.

Inna popularna teoria mówi, że niewielkie rozbłyski zwane nanorozbłyskami na całej powierzchni słońca wytwarzają pola magnetyczne, które przecinają się, ponownie się łączą i wyrzucają oderwane pętle pola magnetycznego w przestrzeń kosmiczną, przyspieszając przy tym jony. Teoria to po raz pierwszy zaproponowana została w 1987 roku przez Eugene Parkera, na cześć którego nazwano sondę. Parker, który obecnie ma 91 lat, przewidział istnienie wiatru słonecznego i ukuł jego nazwę w latach pięćdziesiątych XX wieku.

Anteny radiowe pakietu FIELDS będą poszukiwały fal radiowych wytwarzanych przez nanorozbłyski, których jak na razie nie wykryto, a inny pakiet instrumentów SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons) będzie rejestrował prędkość elektronów, protonów i cząstek alfa wiatru słonecznego przelatujących w otoczeniu sondy. Skorelowanie nanorozbłysków czy mikrorozbłysków ze strumieniem cząstek wypływającym ze słońca może potwierdzić teorię mówiącą o rekoneksji magnetycznej. Instrumentem SWEAP zawiadują naukowcy z University of Michigan, Smithsonian Astrophysical Observatory w Cambridge, MA choć znaczna część instrumentu została zaprojektowana i zbudowana w Space Sciences Laboratory w UC Berkeley.

Na pokładzie sondy znajdą się oprócz tego jeszcze dwa inne pakiety instrumentów. WISPR (Wide-Field Imager for Parker Solar Probe, został zbudowany w Naval Research Laboratory i będzie odpowiadał za wykonywanie zdjęć w zakresie widzialnym korony słonecznej znajdującej się bezpośrednio przed orbitującą sondą. Za ISOIS (Integrated Science Investigation of te Sun) odpowiadają naukowcy z Princeton University, a pakiet będzie mierzył energię i tożsamość energetycznych elektronów i jonów włącznie z jonami cięższymi od jonów wodoru i helu, w celu sprawdzenia w jaki sposób czasami przyspieszane są one do prędkości bliskich prędkości światła blisko powierzchni słońca.

Razem, wszystkie instrumenty powinny być w stanie zarejestrować proces przyspieszania wiatru słonecznego od prędkości poddźwiękowych do naddźwiękowych oraz narodziny cząstek słonecznych o najwyższych energiach.

“Fizyka plazmy jest naprawdę trudna do badania w laboratorium” mówi Bale, który skupia się na roli pól magnetycznych i zjonizowanej plazmy w przestrzeni kosmicznej, w szczególności w otoczeniu gwiazd takich jak Słońce. “Umieszczenie sondy bezpośrednio w gorącej plazmie sprawia, że mamy wprost idealne laboratorium do badań”.

Parker Solar Probe jest okazją życia dla Bale’a. Choć jego zespół wysunie wysięgniki i przetestuje działanie instrumentów w dzień po starcie, większość instrumentów zostanie następnie wyłączona i nie rozpocznie wykonywania rzeczywistych pomiarów korony do czasu, kiedy sonda po raz pierwszy zbliży się do Słońca w listopadzie.

Po pętli wokół Wenus, która pozwoli zmniejszyć prędkość, sonda zbliży się do Słońca bardziej niż jakakolwiek inna sonda, na odległość 36 promieni Słońca licząc od środka Słońca.  Dla porównania orbita Wenus ma promień 155 promieni Słońca, a Merkurego – 83.

W ciągu kolejnych sześciu lat, sonda będzie okrążała Wenus jeszcze sześć razy, stopniowo docierając na odległość zaledwie 9,8 promieni Słońca od środka gwiazdy. W tej odległości sonda będzie znajdowała się głęboko w koronie, przy zewnętrznej krawędzi obszaru, w którym cząstki przekraczają prędkość dźwięku – prędkość Alfvena czyli jakieś 89 m/s i uwalniają się spod wpływu Słońca.

“Celem misji jest dostanie się do ego obszaru przejściowego – znajdziemy się wtedy w prawdziwej koronie, w której przepływ ma niższą prędkość od prędkości Alfvena” mówi Bale. “Uważamy, że granica występuje w okolicach 15 promieni Słońca, a więc nie dotrzemy tam wcześniej niż w 2021 roku”.

Gdy już znajdzie się we wnętrzu korony, sonda może zarejestrować plączące się linie pola magnetycznego, fale Alfvena biegnące od powierzchni słońca do krawędzi korony.

“Na początku grudnia liczymy na pierwszy przelot w odległości 35 promieni Słońca i jestem pewien, że będzie to zdarzenie rewolucyjne. Dowiemy się mnóstwa nowych rzeczy z tego przelotu” zapewnia Bale.

W trakcie swojej zaplanowanej na siedem lat misji, sonda zanurzy się w wewnętrzne warstwy atmosfery Słońca 24 razy.

Parker Solar Probe zostanie wyniesiona w przestrzeń kosmiczną w sobotę 11 sierpnia z Przylądka Canaveral na Florydzie, na szczycie rakiety Delta IV Heavy.

Źródło: University of California Berkeley