Dodano: 05 grudzień 2019r.

Parker Solar Probe ujawnia nieznane wcześniej szczegóły dotyczące Słońca

Wysłana w ubiegłym roku w podróż w kierunku Słońca sonda Parker Solar Probe okrążyła naszą gwiazdę już dwukrotnie. Znalazła się bliżej Słońca niż jakikolwiek satelita w historii, zbierając przy tym bezprecedensowe dane z samego skraju korony słonecznej. Naukowcy zaprezentowali pierwsze wyniki analiz opartych o informacje zebrane przez sondę.

Sonda Parker Solar Probe na tle Słońca

 

Na łamach pisma „Nature” ukazały się cztery nowe publikacje (1, 2, 3, 4) oparte o dane uzyskane z sondy Parker Solar Probe. Nowe odkrycia mogą 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.

Bezprecedensowe obserwacje Parker Solar Probe zebrane podczas dwóch rekordowo bliskich przelotów wokół Słońca przybliżają naukowców do odpowiedzi na podstawowe pytania dotyczące fizyki naszej gwiazdy. Ujawniają nowe informacje na temat procesów napędzających wiatr słoneczny – nieustanny strumień gorącej, zjonizowanej materii płynącej ze Słońca i wypełniającej cały Układ Słoneczny. Pokazują interakcje wiatru słonecznego z obrotem gwiazdy oraz analizują pył obecny w koronie słonecznej. Wskazują także na niezwykłe zdarzenia przyspieszenia cząstek - tak małe, że są niewykrywalne z Ziemi - ujawniając dziwne odwrócenie pola magnetycznego, które może przyspieszać te cząsteczki do niewiarygodnych prędkości.

- Te pierwsze dane z sondy Parker Solar Probe pokazują naszą gwiazdę, Słońce, w nowy i zaskakujący sposób - powiedział Thomas Zurbuchen z centrali NASA w Waszyngtonie. - Obserwacja Słońca z bliska, a nie ze znacznie większej odległości, daje nam niespotykany dotąd wgląd w ważne zjawiska słoneczne i ich wpływ na Ziemię. Pozwala nam także lepiej zrozumieć aktywne gwiazdy w odległych galaktykach. To dopiero początek nowych odkryć – dodał.

Nasze Słońce jest magnetycznie aktywne. Wyzwala potężne rozbłyski światła, zalewając cząstkami poruszającymi się z prędkościami bliskimi prędkości światła cały Układ Słoneczny, w tym Ziemię i przestrzeń wokół niej. Cała ta aktywność wpływa na naszą planetę. Szkodliwe promieniowanie wdziera się w przestrzeń, w której latają nasze satelity i astronauci, zakłócając sygnały komunikacyjne i nawigacyjne, a nawet,gdy nastąpi intensywny koronalny wyrzut masy, może spowodować globalną katastrofę niszcząc transformatory i sieci energetyczne.

- Słońce fascynowało ludzkość od zawsze - powiedział Nour E. Raouafi z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, który zarządza misją Parker Solar Probe. - W ciągu ostatnich dziesięcioleci wiele się dowiedzieliśmy o naszej gwieździe, ale naprawdę potrzebowaliśmy misji takiej jak Parker Solar Probe, aby wejść w atmosferę Słońca. Tylko tam naprawdę możemy poznać szczegóły tych złożonych procesów słonecznych. A to, czego do tej pory nauczyliśmy się z tej misji, zmieniło wiele z tego, co wiemy o Słońcu – dodał.

Dynamika wiatru słonecznego

To, co dzieje się na Słońcu, ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia tego, jak kształtuje przestrzeń wokół nas. Większość materii wyrzucanej przez Słońce, jest częścią wiatru słonecznego. Ten zjonizowany gaz, zwany plazmą, przenosi wraz z nim pole magnetyczne Słońca, rozciągając je przez Układ Słoneczny w gigantycznej bańce zwanej heliosferą.

Obserwowany w pobliżu Ziemi wiatr słoneczny to stosunkowo równomierny przepływ plazmy z okazjonalnymi turbulencjami. Ale w pobliżu Ziemi wiatr słoneczny ma już za sobą dystans około 150 milionów kilometrów. Ślady dokładnych mechanizmów, w których Słońce podgrzewa i przyspiesza wiatr słoneczny znikają. Będąc bliżej źródła wiatru słonecznego sonda Parker Solar Probe zobaczyła zupełnie inny obraz: skomplikowany, aktywny system.

- Złożoność tego systemu była oszałamiająca, kiedy zaczęliśmy analizować dane - przyznał Stuart Bale z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Ja już się do tego przyzwyczaiłem, ale kiedy pokazuję to kolegom po raz pierwszy widzę ich ogromne zdziwienie – dodał. Z odległości 24 milionów kilometrów od Słońca, a na taką zbliżyła się sonda, wiatr słoneczny jest o wiele bardziej impulsywny i niestabilny niż to, co widzimy w pobliżu Ziemi.

Podobnie jak samo Słońce, wiatr słoneczny składa się z plazmy, w której ujemnie naładowane elektrony oddzieliły się od dodatnio naładowanych jonów, tworząc morze swobodnie unoszących się cząstek o indywidualnym ładunku elektrycznym. Te swobodnie unoszące się cząstki oznaczają, że plazma przenosi pola elektryczne i magnetyczne, a zmiany w plazmie często powodują ślady na tych polach. Instrumenty sondy zbadały stan wiatru słonecznego, mierząc i dokładnie analizując zmiany pól elektrycznych i magnetycznych wraz z pomiarem fal w pobliskiej plazmie.

W szczególności jeden rodzaj zaobserwowanych zdarzeń zwrócił uwagę zespołów naukowych: szybkie odwrócenie kierunku pola magnetycznego. Te zmiany nazwane „zwrotami” (z ang. switchbacks) trwają od kilku sekund do kilku minut. Te szczegóły są kluczowe dla zrozumienia mechanizmu podgrzewania i rozpędzania wiatru słonecznego, jednak jego źródło pozostaje dla naukowców tajemnicą, choć pomiary sondy Parker Solar Probe pozwoliły badaczom zawęzić możliwości.

Interakcje wiatru słonecznego z ruchem obrotowym Słońca

Jak dokładnie wiatr słoneczny wypływa ze Słońca? W pobliżu Ziemi widzimy wiatr słoneczny przepływający niemal w liniach prostych. Płynie bezpośrednio ze Słońca prosto we wszystkich kierunkach. Ale Słońce obraca się, gdy uwalnia wiatr słoneczny, zatem zanim się uwolni, wiatr słoneczny wiruje razem z nim.

To trochę jak dzieci jeżdżące na karuzeli - atmosfera obraca się wraz ze Słońcem, podobnie jak zewnętrzna część karuzeli, ale im dalej od centrum, tym szybciej się porusza. Dziecko na krawędzi karuzeli może zeskoczyć i w tym momencie poruszałoby się w prostej linii na zewnątrz, zamiast kontynuować obracanie.

Między Słońcem a Ziemią wiatr słoneczny przechodzi od rotacji wraz ze Słońcem do płynięcia bezpośrednio na zewnątrz. Gdzieś w tej przestrzeni wiatr słoneczny przechodzi od przepływu obrotowego do idealnie promieniowego, ma to wpływ na to, jak Słońce zrzuca energię. Znalezienie tego punktu może pomóc nam lepiej zrozumieć cykl życia innych gwiazd lub powstawanie dysków protoplanetarnych, gęstych dysków gazu i pyłu wokół młodych gwiazd, z których formują się planety.

Teraz, po raz pierwszy - zamiast widzieć ten prosty przepływ, który widzimy w pobliżu Ziemi - Parker Solar Probe była w stanie zaobserwować wiatr słoneczny, który wciąż się obracał. To tak, jakby sonda po raz pierwszy zobaczyła wirującą karuzelę, a nie tylko skaczące z niej dzieci. Instrumenty naukowe sondy wykryły obrót w odległości około 32 milionów kilometrów od Słońca. Wraz ze zbliżaniem się do gwiazdy prędkość obrotu rosła.

- Ruch obrotowy wiatru słonecznego obserwowany podczas pierwszych spotkań był prawdziwą niespodzianką - powiedział Justin Kasper z Uniwersytetu w Michigan. - Podczas gdy mieliśmy nadzieję zobaczyć ruch obrotowy bliżej Słońca, wysokie prędkości, które widzimy podczas tych pierwszych bliskich przelotów są prawie dziesięć razy większe niż przewidują nasze modele – dodał.

Pył w pobliżu Słońca

Układ Słoneczny jest zalany pyłem. To kosmiczny gruz, pozostałości zderzeń, które stworzyły planety, asteroidy, komety i inne ciała niebieskie miliardy lat temu. Naukowcy od dawna podejrzewali, że w pobliżu Słońca pył ten jest podgrzewany do wysokich temperatur zamieniając go w gaz i tworząc wokół Słońca pozbawiony pyłu region. Ale nikt tego nigdy nie zauważył.

Dzięki obserwacjom sondy Parker Solar Probe uczeni zobaczyli, że kosmiczny pył zaczyna się rozrzedzać im bliżej gwiazdy. Instrument WISPR (Wide-field Imager for Solar Probe) zamontowany na sondzie służący do obrazowania, skierowany jest w bok statku kosmicznego, dzięki temu może obserwować szerokie połacie korony słonecznej i samego wiatru słonecznego. Wykonane przez WISPR zdjęcia pokazują, że pył zaczyna się rozrzedzać w odległości około 11 milionów kilometrów od gwiazdy, a spadek pyłu utrzymuje się stale do obecnych limitów pomiarów, czyli do odległości około 6,5 miliona kilometrów od Słońca.

- Ta strefa wolna od pyłu została przewidziana kilkadziesiąt lat temu, ale nigdy wcześniej jej nie zaobserwowano - powiedział Russ Howard, główny badacz instrumentu WISPR z Naval Research Laboratory w Waszyngtonie. - Teraz widzimy, co dzieje się z pyłem w pobliżu Słońca – dodał.

Naukowcy spodziewają się, że prawdziwie wolna od pyłu strefa zaczyna się nieco ponad 3-4 milionów kilometrów od Słońca, co oznacza, że ​​sonda słoneczna będzie mogła obserwować strefę pozbawioną pyłu już w 2020 r., kiedy podczas szóstego przelotu wokół Słońca okrąży naszą gwiazdę bliżej niż kiedykolwiek wcześniej.

Kosmiczna pogoda

Małe cząsteczki - zarówno elektrony, jak i jony - są przyspieszane przez aktywność słoneczną do prędkości zbliżonych do prędkości światła, co oznacza, że ​​docierają one do Ziemi w niecałe pół godziny. Cząstki te niosą dużo energii, więc mogą uszkodzić elektronikę statku kosmicznego, a nawet zagrażać astronautom, szczególnie w kosmosie, poza ochroną ziemskiego pola magnetycznego - a krótki czas ostrzegania przed takimi cząsteczkami sprawia, że ​​trudno ich uniknąć.

Kluczowe znaczenie ma dokładne zrozumienie, w jaki sposób cząstki te są przyspieszane do tak dużych prędkości. Ale mimo że docierają w pobliże Ziemi w krótkim czasie, to wciąż za długo, by cząstki straciły sygnatury procesów, które je przyspieszyły. Obracając się wokół Słońca w bliskiej odległości sonda Parker Solar Probe może mierzyć te cząstki zaraz po opuszczeniu Słońca, rzucając nowe światło na ich uwalnianie.

Instrument ISʘIS (Science Investigation of the Sun) zmierzył kilka nigdy wcześniej nie widzianych zdarzeń tak małych, że wszystkie ich ślady giną, zanim dotrą do Ziemi. Instrument zmierzył również rzadki typ wybuchu cząstek ze szczególnie dużą liczbą cięższych pierwiastków - co sugeruje, że oba typy zdarzeń mogą być częstsze niż wcześniej sądzili naukowcy.

- To niesamowite. Słońce wytwarza o wiele więcej drobnych cząsteczek energii, niż kiedykolwiek myśleliśmy - powiedział David McComas, główny badacz instrumentu ISʘIS z Uniwersytetu Princeton. - Pomiary te pomogą nam odkryć źródła przyspieszenia, a ostatecznie lepiej chronić satelity i astronautów w przyszłości - zaznaczył.

Dane z instrumentów WISPR dostarczyły także niespotykanych szczegółów na temat struktur w wietrze słonecznym i koronie słonecznej, a także lepiej poznać mechanizmy odpowiedzialne za koronalne wyrzuty masy. Mogą one wywoływać szereg efektów na Ziemi, od fantastycznych zórz polarnych po awarie sieci energetycznych.

- Słońce jest jedyną gwiazdą, którą możemy dokładnie zbadać. Uzyskiwanie danych u źródła już rewolucjonizuje nasze rozumienie naszej własnej gwiazdy i gwiazd we Wszechświecie. Nasz mały statek kosmiczny walczy w brutalnych warunkach, aby wysłać do domu zaskakujące i ekscytujące dane - powiedziała Nicola Fox, dyrektor Wydziału Fizyki Słońca w centrali NASA.

Dane z pierwszych dwóch bliskich spotkań Parker Solar Probe ze Słońcem są dostępne publicznie online.

Parker Solar Probe

Sonda Parker Solar Probe wystartowała 11 sierpnia ubiegłego roku. „First Mission to Touch the Sun” – tak NASA zapowiadała ekspedycję w kierunku Słońca. Ale „dotknięcie” gwiazdy nie jest łatwym zadaniem. Słońce to ogromna, paląca się, 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. Zaplanowana jest na siedem lat. W tym czasie ukończy 24 orbity wokół naszej gwiazdy. Lecąc do celu ma ustanowić rekord prędkości najszybszego statku kosmicznego w historii. Prędkość sondy wyniesie blisko 700 000 kilometrów na godzinę.

Podczas najbliższego podejścia znajdzie się w odległości 6,4 milionów kilometrów od Słońca. Sonda bada obszar przestrzeni kosmicznej, który do tej pory nie był eksplorowany. Statek kosmiczny będzie musiał stawić czoło olbrzymiemu promieniowaniu oraz wysokim temperaturom. Dlatego budowa statku miała kluczowe znaczenie, by znajdujące się wewnątrz sondy instrumenty i czujniki spełniły swoją funkcję.

 

Źródło: NASA, fot. NASA/Johns Hopkins APL