Z rentgenem na straży kosmicznej pogody

Ważnym przejawem aktywności słonecznej, który budzi szczególne zainteresowanie naukowców, są rozbłyski i towarzyszące im koronalne wyrzuty masy. Wywołane przez nie zmiany pogody kosmicznej niejednokrotnie skutkowały tzw. burzami geomagnetycznymi, uszkodzeniami satelitów na ziemskiej orbicie, a nawet awariami infrastruktury elektrycznej na powierzchni naszej planety.

Rozbłyski słoneczne obserwujemy, gdy w obrębie obszaru aktywnego na Słońcu dochodzi do gwałtownej zmiany układu pól magnetycznych. Uwolniona w rozbłysku energia jest zużywana na procesy, które wywołują emisję promieniowania rentgenowskiego. Rejestrowanie widm w tym właśnie zakresie jest kluczowe przy wyborze modelu rozbłysków, jaki uznamy za opis rzeczywistości, i z którego skorzystamy w prognozowaniu pogody kosmicznej.

Promieniowanie rentgenowskie jest blokowane przez ziemską atmosferę, dlatego by je analizować konieczne jest umieszczenie instrumentów w kosmosie. Pomagają w tym m.in. detektory półprzewodnikowe. Nie mierzą one energii fotonu, a jedynie pewien impuls prądowy, który następnie przeliczamy na odpowiednią energię. Fizyka procesów zachodzących podczas pochłaniania fotonu w półprzewodniku jest dobrze znana, ale dość skomplikowana.

Kluczem do wiarygodnego pomiaru jest macierz określająca prawdopodobieństwo, z jakim foton o danej energii wyprodukuje szereg zliczeń o różnych energiach. To tzw. macierz odpowiedzi detektora (ang. detector response matrix, DRM). Macierz pozwala przeliczyć zarejestrowane impulsy na jednostki fizyczne, co w konsekwencji umożliwia ilościową interpretację wyników i określenie własności fizycznych obserwowanych rozbłysków.

Zwykle macierze odpowiedzi wylicza się teoretycznie. Alternatywą jest uruchomienie detektora w otoczeniu źródeł rentgenowskich o znanych parametrach. Wtedy wartości macierzy odpowiedzi można przybliżyć eksperymentalnie. Jednak tego rodzaju pomiary są zwykle obarczone sporymi błędami. Dotychczasowe doświadczenia z detektorami półprzewodnikowymi pokazują, że proces pełnego zrozumienia działania instrumentu może zająć nawet kilka lat od momentu wystrzelenia detektorów na orbitę.

Innowacyjnym podejściem do problemu jest budowanie instrumentów na tyle małych, by zmieściły się w urządzeniu (np. synchrotronie), które oświetli detektory wiązką promieniowania rentgenowskiego o ściśle określonych parametrach. To otwiera drogę do precyzyjnej kalibracji instrumentu w warunkach ziemskich, a więc otrzymanie bardzo dokładnej macierzy odpowiedzi. Takiego rozwiązanie nie da się zastosować do dużych instrumentów, w efekcie czego małe kosmiczne teleskopy rentgenowskie są w stanie dostarczyć danych naukowych o większej wiarygodności, niż duże obserwatoria.

W budowaniu właśnie takich – niewielkich – instrumentów do rejestracji słonecznego promieniowania rentgenowskiego (0,5-15 keV) wyspecjalizował się Zakład Fizyki Słońca CBK PAN. Jednym z najważniejszych przyrządów skonstruowanych przez Zakład był spektrofotometr SphinX. Zaprojektowany i wykonany w pierwszych latach XXI wieku, 30 stycznia 2009 roku pomyślnie trafił na orbitę, na pokładzie rosyjskiego satelity naukowego Koronas-Foton.

Konstrukcja SphinX opierała się o układ trzech detektorów PIN wyposażonych w apertury wejściowe o różnych rozmiarach. Taka konstrukcja rozszerzyła zakres dynamiczny instrumentu, pozwalając mu na rejestrowanie zarówno najsilniejszych rozbłysków słonecznych, jak i rozbłysków słabych – w tym słabszych, niż próg detekcji innych podobnych urządzeń działających w kosmosie.

SphinX pracował do końca listopada 2009 roku, dostarczając niezwykle cennych obserwacji. Pomimo, że Słońce znajdowało się wtedy w minimum swojej aktywności (i to największym od stu lat!), SphinX zarejestrował ponad 1000 rozbłysków. Dla porównania, inne kosmiczne obserwatoria rentgenowskie odnotowały w tym samym czasie zaledwie kilkadziesiąt rozbłysków.

Zalety absolutnej kalibracji instrumentu na Ziemi ujawniły się także podczas analizy jednoczesnych obserwacji wykonanych przez SphinX i inne detektory. Okazało się, że dane z polskiego spektrofotometru są tak wiarygodne, że można je uznać za wzorcowe dla innych obserwatoriów, w szczególności dla należącego do NASA kosmicznego teleskopu RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager).

Doświadczenia z projektu SphinX, zwłaszcza te, wypracowane w kontekście RHESSI, spowodowały, że zespół Zakładu Fizyki Słońca CBK PAN został zaproszony do udziału w amerykańskiej misji FOXSI (Focusing Optics X-ray Solar Imager). Planowane przez NASA przedsięwzięcie ma stanowić kontynuację obserwacji RHESSI. Zbudowany i skalibrowany przez CBK PAN monitor aktywności Słońca będzie wspierał główny – duży – teleskop rentgenowski na pokładzie FOXSI.

Polski przyrząd uzupełni obserwacje amerykańskiego, ale także (co ważne) zadba o uwiarygodnienie jego pomiarów. To dość istotna rola. Każdy instrument kosmiczny jest bowiem wynikiem kompromisu między kosztami, technologią, a wymogami naukowymi misji. Małe, precyzyjnie skalibrowane instrumenty instalowane obok dużych, ale mniej precyzyjnych, mogą w znaczący sposób osłabić efekty poczynionych kompromisów i podnieść jakość obserwacji.

dr Tomasz Mrozek

Zakład Fizyki Słońca

Centrum Badań Kosmicznych PAN