Misja zbada bieguny Słońca. Zasługi mają polscy naukowcy

Jednym z sześciu instrumentów teledetekcyjnych, wykorzystywanych w ramach misji ESA i NASA, której celem jest badanie Słońca, jest spektrometr/teleskop rentgenowski STIX, w którego budowie brali udział polscy naukowcy. Posłuży on do badania słonecznych rozbłysków.

Misja Solar Orbiter startuje w poniedziałek rano 10 lutego (czasu środkowoeuropejskiego) z Cape Canaveral (USA). Sonda zbada słabo widoczne z Ziemi bieguny Słońca, dostarczając nowych danych o naszej macierzystej gwieździe i heliosferze – gigantycznym „bąblu” wyrzucanej przez nią materii.

Solar Orbiter poleci w ramach misji Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) i amerykańskiej NASA. Swój wkład w misję ma również Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk. Naukowcy z Warszawy i Wrocławia opracowali - wraz ze Szwajcarami – STIX (Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays). Jest to specjalny rodzaj teleskopu rentgenowskiego, który zarejestruje rozbłyski na Słońcu.

STIX opracowali wspólnie naukowcy ze Szwajcarii, Polski, Czech, Niemiec i Francji. Partnerami projektu są także Irlandczycy, Austriacy i Włosi, którzy będą odpowiadać za analizę i archiwizację zebranych danych.

Wkład finansowy Polski w projekt STIX szacowany jest na 2-2,5 mln euro. Wynosi on ok. 20 proc. całości jego budżetu i ustępuje tylko wkładowi Szwajcarów.

Polscy eksperci z Centrum Badań Kosmicznych (CBK) PAN w Warszawie i we Wrocławiu odpowiadali za sterujący teleskopem komputer i jego obudowę oraz oprogramowanie. Opracowali także testowy symulator detektorów i urządzenie do testowania komunikacji z sondą.

Powstały dwa identyczne egzemplarze teleskopu - lotny i zapasowy. Pierwszy został zainstalowany na pokładzie sondy Solar Orbiter w maju 2017 roku. Gdyby egzemplarz lotny uległ uszkodzeniu jeszcze przed wystrzeleniem sondy, zastąpiłby go zapasowy instrument.

Jeśli taka zamiana nie będzie konieczna, egzemplarz zapasowy pozostanie na Ziemi i posłuży do testowania oprogramowania przed przesłaniem go do egzemplarza lotnego, będącego już w przestrzeni kosmicznej. Gdyby instrument lotny działał nieprawidłowo, jego naziemna kopia ułatwi zrozumienie problemu.

Dr Tomasz Mrozek z Zakładu Fizyki Słońca CBK PAN we Wrocławiu zauważa, że wciąż nie znamy odpowiedzi na wiele pytań dotyczących Słońca. Dlaczego temperatura jego powierzchni wynosi około 6000 K, a korony – milion stopni? Dlaczego pojawiają się plamy? Czy można przewidzieć groźne dla ziemskiej infrastrukury i sztucznych satelitów rozbłyski słoneczne? Jak aktywność Słońca wpłynie w najbliższych latach na temperatury na Ziemi?

Odpowiedzi na te pytania może dostarczyć właśnie najnowsza misja ESA i NASA. Dzięki wiedzy o aktywności Słońca można też będzie lepiej zrozumieć inne gwiazdy, do których obecne ziemskie sondy nie mają szansy dotrzeć.

Jak wyjaśnił dr Mrozek, STIX będzie badać w zakresie rentgenowskim słoneczne rozbłyski. Chodzi o tzw. twarde promieniowanie rentgenowskie - fotony o energii od 4 keV do 150 keV, co odpowiada falom elektromagnetycznym o długości od 0,31 nm do 0,00827 nm (10 milionów razy krótsze, niż średnica ludzkiego włosa). Takie rozbłyski mogą zagrażać satelitom, a nawet ziemskiej infrastrukturze, w tym sieciom energetycznym.

– Sonda Solar Orbiter wyposażona jest w najlepsze z możliwych instrumentów, zbliży się do Słońca bardziej, niż to dotychczas było możliwe, i zbada słabo widoczne z Ziemi bieguny – podkreślił dr Mrozek. STIX pozwoli badać między innymi plamy słoneczne, ciemniejsze obszary na powierzchni Słońca. – Plamy są chłodniejsze od powierzchni, ale obszary leżące zaledwie kilka tysięcy kilometrów nad nimi osiągają temperaturę rzędu milionów Kelwinów - dlatego wysyłają promieniowanie ultrafioletowe i rentgenowskie. Jednak nie cała emisja w zakresie rentgenowskim ma podłoże termiczne. Część jest wywołana przez wysokoenergetyczne cząstki – opowiada naukowiec.

Ponieważ Solar Orbiter zbliży się do Słońca na odległość 42 mln kilometrów (bardziej niż Merkury), aparatura ukryta jest za masywną osłoną termiczną, zbudowaną z wielu warstw tytanu pokrytego specjalną powłoką. Między innymi dlatego cała sonda waży aż 1,8 tony, podczas gdy jej wszystkie instrumenty badawcze – tylko ok. 200 kilogramów.

– W osłonie tej są jednak otwory dla poszczególnych instrumentów i przez jeden z nich wygląda właśnie STIX. Aby instrument się nie przegrzewał, dodatkowe ciepło generowane przez detektory odbiera i wypromieniowuje miedziana płyta – opowiada dr Mrozek.

Jak tłumaczy, cylindryczne panele w przedniej i tylnej części teleskopu mieszczą wolframowe siatki, które są zbudowane z naprzemiennych szczelin i poprzeczek. Siatki wykonano w USA, wytrawiając je z cienkiej blachy, sklejanej następnie w grubsze struktury specjalnym klejem.

– 30 par siatek ze szczelinami o różnych rozmiarach i skręconych pod pewnym kątem względem siebie sprawia, że do umieszczonych w tylnej części 30 detektorów z tellurku kadmu (zaprojektowali je Francuzi) dociera modulowane promieniowanie ze Słońca. Dodatkowe dwa detektory, służące zgrubnemu określeniu pozycji rozbłysku oraz pomiarowi tła, nie mają stowarzyszonych siatek. Każdy z detektorów jest podzielony na kilka różniących się parametrami pikseli. Każdy został zrobiony ręcznie - z kilkuset wytworzonych wybrano najlepsze – podkreśla naukowiec z CBK PAN.

Na podstawie uzyskanych przez czujniki danych, znając parametry i ustawienie siatek, komputer może wyliczyć dokładny obraz obiektu, w tym wypadku – Słońca. Jego rozdzielczość wyniesie ok. 700x700 pikseli, co pozwoli rozróżnić na powierzchni Słońca szczegóły wielkości 2000 kilometrów (średnica Słońca to prawie 1,4 miliona kilometrów). – Jeśli dostrzeżemy drobne szczegóły, których nie przewidywały dotychczasowe modele, trzeba będzie zmodyfikować te modele. Jeśli nie – to też będzie miało znaczenie – mówił dr Mrozek.

– Główne zadanie badawcze misji – to dowiedzieć się, w jaki sposób Słońce steruje heliosferą i poszerzyć wiedzę dotyczącą długotrwałej aktywności Słońca, mającej związek z klimatem – powiedział fizyk.

Oczywiście precyzyjny teleskop jest bardzo wrażliwy na wstrząsy podczas startu. Dlatego gdy sonda znajdzie się już w przestrzeni kosmicznej, trzeba będzie przeprowadzić ponowną kalibrację i opracować odpowiednią programową kompensację.

Uzyskane z misji informacje będą dostępne dla naukowców z całego świata. Pierwsze użyteczne dane mają się pojawić w listopadzie roku 2021, a cała misja Solar Orbiter potrwa co najmniej do grudnia roku 2025. Jej koszt szacuje się na około miliard euro. ESA będzie współpracowała z NASA, której sonda Parker Solar Probe wystartowała już w sierpniu roku 2018. Parker Solar Probe zbliży się do Słońca jeszcze bardziej niż Solar Orbiter, ale ma skromniejsze wyposażenie – na przykład kamery nie wytrzymałyby tak intensywnego promieniowania. Dlatego obie sondy będą się uzupełniać.

#słońce #misja #badania #pan #sonda #nasa #kosmos