Wkrótce start misji Solar Orbiter w stronę Słońca

Ważący 1,8 tony Solar Orbiter zostanie wyniesiony w przestrzeń kosmiczną przez amerykańską rakietę Atlas V - w ramach misji Europejskiej Agencji Kosmicznej wspieranej przez NASA. Dzięki obserwacjom z użyciem sondy naukowcy chcą się dowiedzieć, jak Słońce tworzy i warunkuje heliosferę – swoje najbliższe międzygwiazdowe otoczenie, zdominowane przez wiatr słoneczny. W znalezieniu odpowiedzi pomoże dziesięć instrumentów badawczych Solar Orbiter, w tym sześć teleskopów czułych na różne zakresy promieniowania elektromagnetycznego - od widzialnego po rentgenowskie. Właśnie w tych regionach widma uwidaczniają się zjawiska kształtujące dynamikę heliosfery: rozbłyski słoneczne, protuberancje eruptywne i koronalne wyrzuty masy.

Obserwacje rentgenowskie w ramach misji Solar Orbiter będą realizowane dzięki teleskopowi STIX (Spectrometer/ Telescope for Imaging X-rays), opracowanemu z udziałem naukowców i inżynierów Centrum Badań Kosmicznych PAN (CBK PAN). Urządzenie będzie dostarczało do dziesięciu wysokorozdzielczych zdjęć Słońca na sekundę, co umożliwi precyzyjnie wskazanie, kiedy i z jakiego regionu na naszej gwieździe nastąpiła emisja elektronów w przestrzeń międzyplanetarną. Prace konstrukcyjne nad instrumentem zrealizował międzynarodowy zespół, w skład którego wchodzili Szwajcarzy (kierujący pracami), Polacy (CBK PAN), Czesi, Niemcy i Francuzi.

Zadaniem polskich inżynierów było zaprojektowanie i wykonanie komputera pokładowego (ang. instrument data processing unit, IDPU) wraz z obudową mechaniczną, systemu do precyzyjnego określenia położenia Słońca (ang. aspect system), a także układów do wspomagania testów elektroniki (ang. electrical ground support equipment, EGSE). Polacy odpowiadali ponadto za modelowanie termiczne instrumentu oraz pomoc w integracji elektronicznej i testach całego przyrządu.

Początkowo start miał się odbyć w 2017 roku, był jednak kilkukrotnie odkładany. Powodzenie misji uzależnione jest tymczasem od odpowiedniego ułożenia planet w czasie i przestrzeni - tak, by wykorzystać sprzyjający układ "studni grawitacyjnych", które są niezbędne do wprowadzenia sondy na odpowiednią orbitę wokół Słońca. Misji nie można zatem rozpocząć w dowolnym momencie – jest to możliwe tylko w czasie trwania określonych okien startowych.

Pierwsze dane techniczne dotyczące powodzenia startu i stanu poszczególnych przyrządów będą dostępne niedługo po starcie. Dolot do Słońca będzie procesem skomplikowanym i punkt najbardziej zbliżony do celu sonda ma osiągnąć dopiero po 3,5 roku trwania operacji. W pobliżu Słońca, wewnątrz orbity Merkurego, sonda będzie przebywała tylko po kilkanaście dni, z przerwami rzędu około pół roku.

W trakcie swojej misji sonda wykorzysta grawitację Wenus, aby opuścić płaszczyznę Układu Słonecznego i podążać po eliptycznej orbicie wokół Słońca. Najmniejsza odległość, na jaką się od niego zbliży, wynosi 42 miliony kilometrów - mniej, niż wynosi jedna trzecia dystansu od Ziemi do Słońca - dla porównania Merkury zbliża się do Słońca na 58 milionów kilometrów.

Powierzchnia Merkurego rozgrzewa się do temperatury ok. 430 stopni Celsjusza. Dzięki nowoczesnym, wielowarstwowym osłonom termicznym (zbudowanym m.in. z tytanu, pokrytego warstwą fosforanu wapnia) precyzyjne instrumenty sondy będą chronione przed nagrzewaniem - 13-krotnie silniejszym, niż nagrzewanie satelitów na orbicie okołoziemskiej.

Do badania powierzchni Słońca, jego gorącej atmosfery zewnętrznej, magnetosfery oraz zmian wiatru słonecznego, Solar Orbiter wykorzysta kombinację dziesięciu instrumentów – w tym detektora umożliwiającego wykrywanie naładowanych cząstek elementarnych, magnetometru dokonującego pomiarów pola magnetycznego w plazmie oraz analizatora fal radiowych i plazmowych czy kamerę SoloHi.

Misja będzie również współpracować z inną, realizującą już swoje zadania sondą słoneczną NASA Parker Solar Probe, która zbliża się do Słońca jeszcze bardziej, niż Solar Orbiter – na razie na 24 mln kilometrów, a w przyszłości nawet na nieco ponad 6 milionów.

Dzięki uzupełniającym się danym pochodzącym z dwóch źródeł można uzyskać więcej informacji, niż każda z misji dostarczyłaby osobno. Tym bardziej, że prawie trzykrotnie lżejsza od Solar Orbiter sonda Parker Solar Probe nie ma kamer, gdyż i tak nie pozwoliłyby one obserwować niezwykle jasnego z tak bliska Słońca.

Zrozumienie mechanizmów fizycznych kontrolujących heliosferę jest istotne, gdyż Ziemia jest w niej permanentnie zanurzona i uzależniona od jej stanu. Chodzi o dane pomocne w wyjaśnieniu zagadek dotyczących rozwoju planet i pojawienia się życia, działania Układu Słonecznego, początków Wszechświata, a także pozwalające lepiej zrozumieć powstawanie wiatru słonecznego czy przewidywać okresy wzmożonej aktywności Słońca z rozbłyskami, zagrażającymi ziemskiej elektronice i energetyce.

Niektóre zmiany w heliosferze mogą zachodzić gwałtownie, w ciągu kilku godzin. Ma to miejsce w sytuacji, gdy ze Słońca wrzucane są w przestrzeń międzyplanetarną "chmury" plazmy i pola magnetycznego. Gdy docierają do Ziemi, wywołują burze geomagnetyczne stanowiące zagrożenie dla infrastruktury naziemnej i kosmicznej. Powolne zmiany heliosfery zachodzą w skali lat i – jak pokazują ostatnie badania – mogą mieć istotny wpływ na ziemski klimat.

Budowa Solar Orbiter trwała około 10 lat i kosztowała Europejską Agencję Kosmiczną pół miliarda EUR. Pierwsze (testowe) dane z teleskopu STIX powinny dotrzeć do naukowców już w miesiąc po starcie sondy. Rutynowe obserwacje naukowe rozpoczną się w listopadzie 2021 roku. Analizą zebranych danych zajmą się w Polsce badacze z Zakładu Fizyki Słońca CBK PAN we Wrocławiu oraz Instytutu Astronomicznego Uniwersytetu Wrocławskiego. Start Solar Orbiter następuje pół wieku po misji Wertikal-1 (28 listopada 1970), w czasie której zrealizowano pierwszy w historii polski eksperyment kosmiczny. Zbiegiem okoliczności misja sprzed pół wieku również dotyczyła obserwacji Słońca, i również w zakresie rentgenowskim.

Źródło: CBK PAN / PAP