Solar Orbiter. "Takiej misji nigdy jeszcze nie było"
9 lutego 2020
Prof. Gottfried Mann z Instytutu Astrofizycznego imienia Leibnitza w Poczdamie (AIP) na początku rozmowy z DW podkreśla, że Solar Orbiterem zajmuje się od 1994 roku. – To już 26 lat, szmat czasu. ESA zaakceptowała ten projekt dopiero w 1998 roku.
Realizują go naukowcy ze wszystkich „starych” państw unijnych (poza Luksemburgiem), z Polski i Czech, ze Szwajcarii i Norwegii oraz z USA. Uczestniczą w nim cztery instytuty niemieckie, z Polski zaś – Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk (CBK). Za start odpowiada NASA.
Wiatr od Słońca
Firma Airbus Defence and Space zbudowała próbnik w Stevenage pod Londynem, a następnie testowała go w bawarskim Ottobrunn. Pytań było wiele. Czy przetrwa start? Jak się będzie zachowywać w stanie nieważkości? Czy przetrzyma zmiany temperatury od -200 do +600 stopni Celsjusza? Czy pola elektromagnetyczne instrumentów nie zakłócają się nawzajem i czy nie utrudnią łączności z Ziemią?
Pod koniec 2019 roku sonda poleciała samolotem za ocean. O ile nic się nie zmieni, rakieta Atlas V wyniesie ją z Cape Canaveral na Florydzie na orbitę okołosłoneczną w niedzielę 9 lutego o 23:03. W Europie Środkowej będzie już poniedziałek, 5:03 rano. Start zostanie pokazany w Internecie.
Próbnik ma badać wypełniający przestrzeń wiatr słoneczny, czyli płynący ze Słońca strumień cząstek. Zazwyczaj jest to łagodna bryza, przed którą chroni nas ziemska magnetosfera. Ale co jedenaście lat Słońce zmienia swój charakter. Na jego powierzchni przybywa plam, a gwałtowne erupcje wyrzucają w przestrzeń wielkie ilości cząstek niosących ogromną energię – nawet miliony razy większą niż w czasach słonecznej ciszy.
Spojrzeć na Słońce z bliska…
– Takiej misji nigdy jeszcze nie było – przekonuje w rozmowie z DW dr Tomasz Mrozek z Obserwatorium Astronomicznego Uniwersytetu Wrocławskiego i wrocławskiej filii CBK. – Przez teleskopy na pokładzie Solar Orbitera będziemy mogli spojrzeć na Słońce z tak bliska, jak nigdy dotąd. I to w niemal wszystkich zakresach spektrum, od podczerwieni, przez światło widzialne i ultrafiolet, aż po najtwardsze fale rentgenowskie.
Próbnik ma dotrzeć na odległość 42 mln km od Słońca, czyli znajdzie się niemal cztery razy bliżej niego niż oddalona o 150 mln km Ziemia i bliżej niż Merkury. Jeszcze bliżej, na dystans zaledwie 7 mln km od Słońca, ma wprawdzie dotrzeć wystrzelony w sierpniu 2018 roku amerykański próbnik Parker Solar Probe, ale nie ma na nim teleskopów skierowanych na Słońce.
…i zobaczyć bieguny
– I po raz pierwszy zobaczymy słoneczne bieguny – cieszy się dr Tomasz Mrozek. A to dlatego, że pod koniec misji sonda będzie poruszać się po orbicie nachylonej pod kątem 33 stopni do płaszczyzny ekliptyki. To krąg na niebie, po którym w ciągu roku przemieszcza się Słońce. Wyznacza płaszczyznę, w której Ziemia obiega Słońce. Oś obrotu Słońca jest wprawdzie do niej nachylona, ale jedynie o 7 stopni. To sprawia, że słoneczne bieguny są właściwie niewidoczne z Ziemi.
Aby pochylić trajektorię lotu próbnika w stosunku do płaszczyzny ekliptyki, trzeba skorzystać z silników, których nie ma na jego pokładzie. Jednym jest Wenus, drugim – Ziemia. Podczas przelotu obok nich grawitacja za każdym razem trochę zmieni orbitę sondy. Solar Orbiter przeleci najpierw dwa razy koło Wenus, potem raz minie Ziemię. W ten sposób w niemal dwa lata po starcie trajektoria lotu będzie już nachylona pod kątem 18 stopni i zacznie się właściwa misja badawcza. Każdy kolejny z sześciu zaplanowanych przelotów koło Wenus zwiększy nachylenie orbity.
Dwudziestoletnia odyseja
Solar Orbiter nie będzie pierwszą sondą słoneczną, która oddali się od płaszczyzny ekliptyki. Pionierem był inny wspólny projekt NASA i ESA, wystrzelony w 1990 roku ku Jowiszowi próbnik Ulysses. Pole grawitacyjne największej planety wyrzuciło go na orbitę niemal prostopadłą do płaszczyzny ekliptyki.
Ulysses krążył daleko od Słońca, po eliptycznej orbicie. Zbliżał się doń na dystans o jedną trzecią dalszy niż Ziemia, a oddalał tak daleko, jak Jowisz. Jeden obieg zajmował mu sześć lat. Dlatego, zanim w 2009 roku zamilkł na dobre, tylko po trzy razy mógł skierować swoje czujniki na każdy z biegunów Słońca. Nie były to jednak teleskopy, nie zarejestrowały żadnych obrazów.
STIX i jego kompani
STIX to Spectrometer Telescope for Imaging X-rays, Spektrometryczny Teleskop do Obrazowania Rentgenowskiego. – O tym, że zbudujemy rentgenowski teleskop dla Solar Orbitera, zadecydowaliśmy w lipcu 2007 roku w kalifornijskim Santa Cruz. Tam właśnie dołączyli do nas Polacy – wspomina prof. Mann.
Teleskop będzie obserwował rozbłyski na Słońcu. – Podczas takich wydarzeń energia pól magnetycznych przyspiesza naładowane cząstki nawet do prędkości bliskich prędkości światła – wyjaśnia dr Mrozek, który jest członkiem zespołu naukowego tego instrumentu. – Energia wyzwalana podczas trwającego kilkanaście minut rozbłysku jest równie wielka, jak to, co w tym samym czasie wypromieniowuje całe Słońce.
– Sam pomysł narodził się w Wyższej Szkole Zawodowej Szwajcarii Północnozachodniej FHNW w Windisch, w Argowii. Przez Czechy wieść o tym dotarła do prof. Janusza Sylwestra, ówczesnego szefa wrocławskiego CBK. – I to on wystąpił z inicjatywą przyłączenia się do tego projektu – mówi Mrozek.
Jeszcze pięć innych teleskopów będzie obserwować Słońce z pokładu Orbitera. Zbadają jego powierzchnię i pola magnetyczne na niej, atmosferę i koronę. W bliskiej podczerwieni, świetle widzialnym i nadfiolecie. Kolejne cztery instrumenty zajmą się otoczeniem sondy. Zmierzą energię przelatujących obok cząstek i atomów, pole magnetyczne i fale radiowe oraz przeanalizują skład i właściwości wiatru słonecznego.
Rentgenowskie zdjęcia Słońca
STIX składa się z okna w osłonie termicznej Orbitera, przez które promienie rentgenowskie przenikają do teleskopu; systemu wytwarzającego obraz zwanego imagerem; płyty z detektorami oraz komputera rejestrującego i wstępnie przetwarzającego dane obserwacyjne.
– My się zajmowaliśmy mechanicznym przygotowaniem imagera, jego rozwojem i testowaniem – mówi prof. Mann z Poczdamu. – To urządzenie składa się z dwóch kratownic, przedniej i tylnej. W każdej z nich znajduje się 30 wolframowych siatek. Poprzez ich lekkie przekręcenie względem siebie w detektorze powstaje jakaś część przestrzennego obrazu słonecznej tarczy.
Każda z tak ustawionych par siatek dostarczonych przez partnerów z USA produkuje tak zwaną morę, przypominającą bardziej sztukę op-art niż realistyczny obraz czegokolwiek. – A jednak skonstruowany przez nas komputer, który jest końcowym elementem STIX-a, potrafi zsumować tych 30 mor w obraz przedstawiający rentgenowski rozbłysk na tarczy Słońca – mówi dr Mrozek. – I to w 32 zakresach częstotliwości rentgenowskiego spektrum. Dlatego w nazwie instrumentu jest nie tylko teleskop, ale i spektrograf.
Bardzo istotną częścią STIX-a jest też system Aspekt, służący do określania kąta między osią Observer-Słońce a osią optyczną teleskopu. To także dzieło naukowców z Poczdamu
– Znając ten kąt, możemy rentgenowskie obrazy nakładać na obrazy zarejestrowane przez inne instrumenty w innych zakresach widma – wyjaśnia prof. Mann.
Prognozy kosmicznej pogody
Cząstki wyrzucane z wielką prędkością podczas słonecznych rozbłysków mogą się przebić poprzez magnetosferę aż na powierzchnię Ziemi i spowodować wielkie szkody. Po raz pierwszy świat przeżył coś podobnego ponad półtora wieku temu. 1 września 1859 roku angielski astronom Richard Carrington jako pierwszy zaobserwował słoneczny rozbłysk, i to silniejszy od wszystkich obserwowanych później. Nazajutrz zaczęła się jedna z największych burz magnetycznych, od kiedy prowadzone są takie badania. Zorze polarne widoczne były w Rzymie, Hawanie, a nawet na Hawajach. Awarie sparaliżowały sieci telegraficzne Europie i Ameryce, w telegrafach zapalał się papier.
Dziś skutki mogłyby być katastrofalne. Awarie transformatorów groziłyby blackoutami, czyli wyłączeniami prądu na wielkich obszarach. Szczególnie narażone na uszkodzenia byłyby wszelkie urządzenia elektroniczne, na przykład komputery. Skutkiem mógłby być choćby chaos w ruchu lotniczym czy paraliż szpitali, a zatem w obu wypadkach – zagrożenia ludzkiego życia.
– Solar Orbiter pomoże nam lepiej zrozumieć procesy przebiegające na Słońcu – ma nadzieję prof. Gottfried Mann z Instytutu Astrofizycznego w Poczdamie. – To pozwoli lepiej przepowiadać pogodę kosmiczną, a zwłaszcza moment erupcji na Słońcu.
Burz magnetycznych oczywiście nie powstrzymamy. Ale umiejąc je przepowiedzieć, będziemy być może potrafili zabezpieczyć się przed ich najgorszymi skutkami.