Sonda Solar Orbiter uchwyciła bieguny Słońca

Sonda Solar Orbiter jako pierwszy instrument w historii przeprowadziła obserwacje biegunów naszej dziennej gwiazdy. Pomoże to lepiej zrozumieć pole magnetyczne Słońca, cykle jego aktywności i kosmiczną pogodę. W stworzeniu sondy wzięli udział eksperci z Centrum Badań Kosmicznych PAN.

Wszystkie planety Układu Słonecznego, a także przemierzające ten system sondy poruszają się po orbitach umieszczonych na jednej płaszczyźnie – tzw. płaszczyźnie ekliptyki. Wyjątek stanowi europejsko-amerykańska sonda Solar Orbiter, której orbita celowo jest nachylona do tej płaszczyzny, tak aby możliwa było obserwacja słonecznych biegunów.

W momencie, w którym powstało przesłane przez sondę nagranie wideo, Solar Orbiter obserwował Słońce pod kątem 17 stopni, co umożliwiło uchwycenie południowego bieguna gwiazdy.

"Po raz pierwszy w historii widzimy biegun południowy słoneczny pod kątem 17 stopni, o wiele większym niż mamy możliwość widzieć go z Ziemi. To oznacza mniejszy skrót perspektywiczny, lepszy widok na biegun i więcej informacji, na które czekaliśmy całe pokolenie" - skomentował dla PAP dr Tomasz Mrozek, pracujący przy misji heliofizyk z Zespołu Fizyki Słońca CBK PAN we Wrocławiu.

Jak ocenił, to wciąż dopiero początek. "W następnych latach kolejne asysty grawitacyjne Wenus wyniosą Solar Orbiter jeszcze wyżej ponad ekliptykę i zobaczymy bieguny pod kątem większym od 30 stopni. Obserwacje biegunów pozwolą przede wszystkim usunąć (dosłownie) czarne plamy z modeli Słońca. Do tej pory musieliśmy zakładać warunki panujące w tych miejscach, nie wiedząc do końca, jak okolice biegunów w rzeczywistości wyglądają. Dzięki nowym danym jakość modeli 11-letniej aktywności Słońca ulegnie znaczącej poprawie, a nasze rozumienie magnetyzmu słonecznego stanie się pełniejsze" - dodał dr Mrozek.

Cytowana w komunikacie prasowym dyrektor naukowa Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA), prof. Carole Mundell zwróciła uwagę, że Słońce jest naszą najbliższą gwiazdą, źródłem życia, ale też potencjalnym zagrożeniem dla nowoczesnych systemów energetycznych w kosmosie i na Ziemi. "Dlatego tak ważne jest, abyśmy zrozumieli, jak działa i nauczyli się przewidywać jego zachowanie. Te nowe, unikalne obrazy pochodzące z naszej misji Solar Orbiter rozpoczynają nową erę badań Słońca” – podkreśliła.

W kolekcji zdjęć przesłanych przez sondę widać południowy biegun Słońca, uchwycony w dniach 16–17 marca br. W tym czasie sonda obserwowała gwiazdę pod kątem 15 st. poniżej równika słonecznego. Była to pierwsza obserwacja z tak dużego kąta — przeprowadzona zaledwie na kilka dni przed osiągnięciem obecnego maksimum, wynoszącego 17 st.

Zdjęcia zostały wykonane za pomocą trzech instrumentów naukowych sondy: Polarimetric and Helioseismic Imager (PHI), Extreme Ultraviolet Imager (EUI) i Spectral Imaging of the Coronal Environment (SPICE).

Instrument PHI rejestruje obrazy w świetle widzialnym oraz mapuje pole magnetyczne jego powierzchni. EUI ukazuje Słońce w świetle ultrafioletowym, odsłaniając naładowany gaz o temperaturze milionów stopni w koronie Słońca. Z kolei SPICE rejestruje światło emitowane przez naładowany gaz o różnych temperaturach nad powierzchnią Słońca, ukazując w ten sposób różne warstwy jego atmosfery.

Analizując uzupełniające się obserwacje wykonane przez trzy instrumenty naukowcy mogą dowiedzieć się, jak przemieszcza się materia w zewnętrznych warstwach Słońca. Może to ujawnić nieoczekiwane struktury, takie jak wiry polarne — wirujące masy gazu, podobne do tych zaobserwowanych wokół biegunów Wenus i Saturna.

Te przełomowe obserwacje mają również znaczenie dla zrozumienia pola magnetycznego Słońca oraz tego, dlaczego odwraca się ono mniej więcej co 11 lat, zbieżnie ze szczytem aktywności gwiazdy. Obecne modele i prognozy cyklu słonecznego wciąż nie są w stanie dokładnie przewidzieć, kiedy i z jaką intensywnością Słońce osiągnie maksimum swojej aktywności.

Jedno z pierwszych odkryć naukowych dokonanych dzięki nowym obserwacjom dotyczy tego, że pole magnetyczne Słońca w rejonie jego południowego bieguna jest obecnie chaotyczne.

Podczas gdy zwykły magnes ma wyraźnie określony biegun północny i południowy, pomiary pola magnetycznego wykonane przez instrument PHI pokazują, że na południowym biegunie Słońca występują jednocześnie pola magnetyczne o obu polaryzacjach – północnej i południowej.

Zjawisko to występuje jedynie przez krótki czas w każdym cyklu słonecznym — w okresie maksimum słonecznego, kiedy pole magnetyczne Słońca się odwraca. Po tym odwróceniu powinna zacząć dominować jedna polaryzacja, która z czasem przejmuje kontrolę nad biegunami Słońca.

Tymczasem za około 5–6 lat Słońce osiągnie swoje kolejne minimum słoneczne — okres, w którym jego pole magnetyczne jest najbardziej uporządkowane, a poziom aktywności najniższy.

„Sposób, w jaki dochodzi do tego narastania polaryzacji, nie jest jeszcze w pełni poznany, dlatego Solar Orbiter dotarł na wysokie szerokości geograficzne w idealnym momencie, tak aby móc obserwować cały proces z unikalnej perspektywy” — zauważył jeden z naukowców misji prof. Sami Solanki.

Najsilniejsze pola magnetyczne występują w dwóch pasach po obu stronach równika Słońca – wyjaśnili naukowcy. Ciemnoczerwone i ciemnoniebieskie obszary wskazują rejony aktywne, gdzie pole magnetyczne skupia się w plamach słonecznych w fotosferze.

Tymczasem zarówno południowy, jak i północny biegun Słońca są usiane czerwonymi i niebieskimi plamkami, co pokazuje, że w małej skali pole magnetyczne Słońca ma skomplikowaną i ciągle zmieniającą się strukturę.

Jednocześnie z pomocą instrumentu SPICE precyzyjnie mierzono prędkości, z jaką poruszają się skupiska materii słonecznej. Otrzymana mapa prędkości ukazuje, jak materia słoneczna porusza się w określonej warstwie Słońca.

Kluczowe jest również to, że zastosowane pomiary metodą Dopplera pozwalają ujawnić, jak cząstki są wyrzucane ze Słońca w postaci wiatru słonecznego. Poznanie mechanizmu powstawania wiatru słonecznego jest jednym z głównych celów naukowych misji Solar Orbiter.

To dopiero pierwsze obserwacje wykonane przez Solar Orbiter z jego nowej, nachylonej orbity. Pełen zbiór danych z pierwszego pełnego przelotu od bieguna do bieguna ma być uzyskany do października br. W kolejnych latach dane będzie zbierało wszystkie dziesięć instrumentów naukowych sondy.

Biorący udział w tworzeniu sondy eksperci z Centrum Badań Kosmicznych PAN uczestniczyli w pracach badawczych i inżynieryjnych nad spektrometrem rentgenowskim STIX (X-ray Spectrometer/Telescope). Instrument ten odpowiada za obserwacje przyspieszonych elektronów - określa czas i źródło ich emisji, jej intensywność i charakterystykę widmową. Dane uzyskane za pomocą STIX pomagają wyjaśnić mechanizm przyspieszania elektronów na Słońcu oraz to, w jaki sposób są one transportowane w przestrzeń międzyplanetarną.

Eksperci z CBK PAN wzięli udział w opracowaniu jednostki przetwarzania danych tego instrumentu (w tym elektroniki i części oprogramowania), stworzyli obudowę dla jednostki przetwarzania danych i dla dostarczonej przez czeską grupę jednostki zasilania, a także wykonali modelowanie termiczne instrumentu STIX i jego podsystemów.

Marek Matacz (PAP)