Należąca do NASA Sonda Parker Solar Probe osiągnęła niezbadany wcześniej region Układu Słonecznego – zewnętrzną atmosferę Słońca, czyli koronę słoneczną, gromadząc dane, które pomogą naukowcom lepiej zrozumieć gwiazdy. Sonda pokonała granicę korony słonecznej w kwietniu, ale publikacja na ten temat ukazała się dopiero teraz.
28 kwietnia 2021 r. sonda Parker Solar Probe, jako pierwszy pojazd wykonany ręką człowieka, dotarła do najbardziej zewnętrznej części atmosfery Słońca, znanej jako korona słoneczna. Pojazd nie tylko przetrwał to bliskie spotkanie, ale spędził w tym rejonie pięć godzin, wykonując w tym czasie pierwsze bezpośrednie pomiary tego, co znajduje się w atmosferze słonecznej, dając uczonym bogactwo nigdy wcześniej nie widzianych danych dotyczących serca Układu Słonecznego.
Eksperci z NASA mówią o historycznym momencie - to pierwszy raz, kiedy statek kosmiczny przeleciał przez zewnętrzną atmosferę naszej gwiazdy. Zebrane dane pomogą naukowcom poszerzyć naszą wiedzę o Słońcu i jego wpływie na Układ Słoneczny. Dzięki temu naukowcy będą mogli spróbować odpowiedzieć na niektóre z największych pytań dotyczących Słońca, takich jak sposób generowania wiatru słonecznego i tego, jak korona słoneczna nagrzewa się do temperatur znacznie wyższych niż te panujące na powierzchni gwiazdy.
- Parker Solar Probe „dotknęła” Słońca. To wielki moment dla nauki o Słońcu i naprawdę niezwykły wyczyn. To osiągnięcie nie tylko zapewnia nam głębszy wgląd w ewolucję Słońca i jego wpływ na Układ Słoneczny, ale wszystko, czego dowiadujemy się o naszej gwieździe, uczy nas również więcej o gwiazdach w pozostałej części Wszechświata – powiedział Thomas Zurbuchen, zastępca administratora NASA.
Dane zebrane podczas przelotu przez koronę słoneczną ukazały się na łamach „Physical Review Letters” (DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.255101). Zostały też zaprezentowane podczas konferencji American Geophysical Union Fall Meeting 2021 w dniu 14 grudnia.
Sonda Parker Solar Probe wystartowała 11 sierpnia 2018 roku. „First Mission to Touch the Sun” – tak NASA zapowiadała ekspedycję w kierunku Słońca. Ale „dotknięcie” gwiazdy, nawet samo zbliżenie się do niej nie jest łatwym zadaniem. Słońce to ogromna, gorąca kula plazmy, która generuje silne pola magnetyczne i może uwolnić śmiertelny podmuch cząstek w mgnieniu oka. Misja nosi nazwę na cześć astrofizyka Eugene’a Parkera.
Sonda ma wielkość małego samochodu i waży nieco ponad 600 kilogramów. Jej misja zaplanowana została na siedem lat. W tym czasie ukończy 24 orbity wokół naszej gwiazdy. Lecąc do celu ma ustanowić rekord prędkości najszybszego statku kosmicznego w historii. Pod koniec listopada tego roku sonda pędziła z prędkością 586 864 km/h. Ale to jeszcze nie wszystko. Prędkość sondy podczas kolejnych orbit ma wynieść blisko 700 tys. kilometrów na godzinę, a podczas najbliższego podejścia Parker Solar Probe znajdzie się w odległości 6,4 milionów kilometrów od Słońca.
Sonda bada obszar przestrzeni kosmicznej, który do tej pory nie był eksplorowany. To trudne zadanie ze względu bliskość gwiazdy i związane z tym olbrzymie promieniowanie oraz wysokie temperatury przekraczające 1300 st. Celsjusza. Dlatego inżynierowie musieli to uwzględnić podczas projektowania sondy, by znajdujące się wewnątrz instrumenty i czujniki spełniły swoją funkcję. Ochronę termiczną sondy zapewnia gruba na blisko 12 centymetrów osłona z kompozytu węglowego.
Sonda Parker Solar Probe w miarę postępów misji dokonuje coraz to nowych odkryć. Mogą one odmienić nasze zrozumienie tego, w jaki sposób gwiazdy rodzą się, ewoluują i umierają. Mogą również pomóc nam przewidywać pogodę kosmiczną, co będzie miało zasadnicze znaczenie dla ochrony astronautów i sprzętu w długookresowych misjach kosmicznych.
Pierwszy przelot przez koronę słoneczną dostarczył danych o zjawiskach, których nie sposób zbadać z daleka. W ciągu pięciu godzin przebywania w atmosferze słonecznej sonda zmierzyła m.in. fluktuacje pola magnetycznego Słońca i zbadała wysokoenergetyczne cząstki wiatru słonecznego. Kolejne przeloty przyniosą następną porcję bezprecedensowych obserwacji.
- Będąc tak blisko Słońca, Parker Solar Probe wyczuwa środowisko w magnetycznie zdominowanej warstwie atmosfery słonecznej, co dotąd nie było możliwe. Widzimy dowody przebywania w koronie słonecznej w danych z czujników pola magnetycznego, wiatru słonecznego oraz wizualnie na przesyłanych obrazach – powiedział Nour Raouafi z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory w Laurel, zaangażowany w projekt sondy.
Zewnętrzną krawędź Słońca wyznacza tzw. krytyczna powierzchnia Alfvéna. Materiał emitowany przez Słońce z energią potrzebną do przejścia przez tę granicę staje się wiatrem słonecznym, który ciągnie za sobą pole magnetyczne Słońca, gdy pędzi przez Układ Słoneczny. Gdy rosnące ciepło i ciśnienie odpychają materiał od Słońca, osiąga on punkt, w którym grawitacja i pola magnetyczne są zbyt słabe, aby go utrzymać. Innymi słowy, powierzchnia Alfvéna wyznacza granicę między atmosferą słoneczną a zewnętrznym obszarem przestrzeni kosmicznej zdominowanym przez wiatr słoneczny.
Podczas zbliżenia do Słońca statek kosmiczny trzy razy przekraczał granicę powierzchni Alfvéna. Wcześniej niektórzy badacze spekulowali, że granica ta będzie raczej „rozmyta”, ale zamiast tego okazała się ona wyraźna i pofałdowana. Wewnątrz korony prędkość wiatru słonecznego i gęstość plazmy spadły, co daje uczonym pewność, że granica rzeczywiście została przekroczona. - Uczymy się nowych rzeczy, do których wcześniej nie mieliśmy dostępu – mówi Raouafi.
Granica powierzchni Alfvéna nie ma kształtu idealnie gładkiej kuli. Posiada raczej wzniesienia i doliny. Ustalenie, gdzie dokładnie znajdują się pofałdowania i porównanie tego z aktywnością słoneczną pochodzącą z powierzchni, może pomóc naukowcom dowiedzieć się, jak wydarzenia na Słońcu wpływają na atmosferę i wiatr słoneczny.
Do tej pory naukowcy nie byli pewni, gdzie dokładnie leży krytyczna powierzchnia Alfvéna. W kwietniu, podczas ósmej orbity wokół Słońca, sonda Parker Solar Probe napotkała specyficzne warunki magnetyczne w odległości około 14 milionów kilometrów od powierzchni gwiazdy, co utwierdziło naukowców w przekonaniu, że granica ta została pokonana.
Gdy sonda zanurzyła się nieco głębiej w koronę słoneczną napotkała na strukturę magnetyczną znaną jako pseudostreamer, którą możemy zobaczyć podczas zaćmień Słońca i przybiera ona postać łuku wychodzącego z gwiazdy. Dane z sondy sugerują, że struktury te są odpowiedzialne za deformację, czyli wspomniane wcześniej pofałdowanie krytycznej powierzchni Alfvéna, chociaż obecnie nie jest jasne, jaki mechanizm za to odpowiada.
Pseudostreamery to masywne, przejściowe struktury, wznoszące się ponad powierzchnię Słońca i oddzielające regiony magnetyczne o tej samej polaryzacji. Z kolei streamery to stabilne struktury, które oddzielają regiony magnetyczne o przeciwnej polaryzacji. Przejście sondy przez pseudostreamer było jak przelot przez oko burzy. Wewnątrz struktury warunki uspokoiły się, a cząstki zwolniły. To kolosalna zmiana w porównaniu z nawałnicą cząstek, którą statek kosmiczny napotkał poza pseudostreamerem.
Obszar zajmowany przez koronę słoneczną zależy od aktywności słonecznej. Wraz ze wzrostem aktywności Słońca w 11-letnim cyklu słonecznym, zewnętrzna krawędź korony rozszerzy się, dając sondzie większą szansę na częstsze przebywanie wewnątrz korony słonecznej przez dłuższy czas.
Znajdując się wewnątrz korony, sonda zbadała również niezwykłe załamania pola magnetycznego wiatru słonecznego, znane jako serpentyny. Naukowcy już wcześniej wiedzieli o ich istnieniu, ale dane z sondy Parker Solar Probe pozwoliły im prześledzić, skąd pochodzą, aż do powierzchni Słońca. - Struktura regionów z serpentynami pasuje do małej struktury magnetycznego lejka u podstawy korony – powiedział Stuart Bale, profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Zrozumienie czy wiatr słoneczny jest związany z serpentynami, może pomóc naukowcom odpowiedzieć na odwieczną tajemnicę: jak korona jest podgrzewana do milionów stopni. Podczas gdy nowe odkrycia wskazują, gdzie powstają serpentyny, naukowcy nie mogą jeszcze potwierdzić, w jaki sposób powstają. - Myślę, że w miarę postępów misji, dowiemy się więcej o tym, jak lejki magnetyczne są połączone z serpentynami. I miejmy nadzieję, że rozwiążemy pytania, jaki proces je tworzy – dodał Bale.
Wiedza o tym, jak takie cechy tworzą się na Słońcu i jak wpływają na wiatr słoneczny i inne erupcje naładowanych cząstek, pomoże naukowcom lepiej przygotować się na destrukcyjny wpływ pogody kosmicznej. Odkrycia pomogą również naukowcom lepiej zrozumieć siły, które napędzają gwiazdy inne niż Słońce.
Sonda Parker Solar Probe przeleciała przez koronę słoneczną podczas wykonywania ósmej orbity wokół Słońca w kwietniu tego roku. Mogła powtórzyć swój wyczyn podczas dziewiątej orbity w listopadzie 2021 r., ale dane z tego manewru nie zostały jeszcze w pełni pobrane i przeanalizowane. Jak przyznał Justin Kasper, główny autor publikacji, każdy kolejny przelot przez koronę słoneczną będzie ujawniać nowe informacje na temat procesów tam zachodzących.
Źródło: NASA, American Physical Society, fot. NASA / Johns Hopkins APL / Ben Smith
