Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Po raz pierwszy w historii sonda kosmiczna zbliżyła się na taką odległość od Słońca. Parker Solar Probe, sonda amerykańskiej agencji NASA, przeleciała przez górną warstwę atmosfery Słońca – koronę – i tam pobrała próbki cząstek oraz pól magnetycznych. To kamień milowy w nauce o energii słonecznej. Tak jak lądowanie na Księżycu pozwoliło naukowcom zrozumieć, w jaki sposób powstał nasz satelita, tak „dotknięcie” Słońca pozwoli lepiej zbadać materię, z której zbudowane jest Słońce, a także odkryć ważne informacje dotyczące jej wpływu na cały Układ Słoneczny.

Parker Solar Probe

To amerykańska sonda kosmiczna, której misja jest realizowana w ramach programu Living with a Star, mającego na celu zbadanie aspektów układu Słońce – Ziemia, mających bezpośredni wpływ na życie. To także pierwsza sonda, której zadaniem jest wykonywanie pomiarów bezpośrednio wewnątrz korony słonecznej. Sonda została wyniesiona na orbitę 12 sierpnia 2018 roku.

Kadłub sondy ma kształt heksagonalny z centralnie umieszczonym zbiornikiem paliwa. Instrumenty naukowe umieszczone są na kadłubie i na wystającym z jego tylnej powierzchni maszcie naukowym. Cztery rozkładane anteny fal plazmowych rozmieszczone są z boków kadłuba. Ze względu na wystawienie statku na promieniowanie słoneczne o ogromnym natężeniu (475 razy większym niż na Ziemi) oraz temperatury sięgające około 1400°C musiała zostać wykonana z materiałów o niezwykłej wytrzymałości. Wyposażona jest ponadto w osłonę termiczną wykonaną z kompozytów węglowych, zaś jej powierzchnia skierowana w stronę Słońca została pokryta odbijającą promieniowanie białą farbą ceramiczną. Energii sondzie dostarczają dwa skrzydła ogniw słonecznych. Dodatkowym źródłem energii jest bateria litowo-jonowa o pojemności 25 Ah.

Bliżej niż kiedykolwiek

W przeciwieństwie do Ziemi, Słońce nie ma stałej powierzchni. Ma za to przegrzaną atmosferę zbudowaną z materiału słonecznego związanego ze swoją gwiazdą za pomocą grawitacji i sił magnetycznych. Gdy rosnąca temperatura i ciśnienie odpychają materiał od Słońca, osiąga on punkt, w którym grawitacja i pola magnetyczne są zbyt słabe, aby go pomieścić. Ten punkt, znany jako powierzchnia krytyczna Alfvéna, wyznacza koniec atmosfery słonecznej i początek wiatru słonecznego. Materiał słoneczny z energią potrzebną do przebycia tej granicy staje się wiatrem słonecznym, który ciągnie za sobą pole magnetyczne Słońca, gdy pędzi przez Układ Słoneczny, mijając po drodze m.in. Ziemię. Co ważne, poza krytyczną powierzchnią Alfvéna wiatr słoneczny porusza się tak szybko, że fale w wietrze nie mogą podróżować równie szybko i dochodzi do zerwania połączenia.

Do tej pory naukowcy nie byli pewni, gdzie dokładnie znajduje się krytyczna powierzchnia Alfvéna. Na podstawie zdjęć korony szacuje się, że znajduje się w odległości pomiędzy 10 a 20 promieni słonecznych od powierzchni Słońca (jeden promień to w przybliżeniu 695 700 km). Trajektoria spiralna Parker Solar Probe powoli zbliża go do Słońca, a podczas ostatnich kilku przelotów sonda stale znajdowała się poniżej 20 promieni słonecznych. 28 kwietnia 2021 roku podczas ósmego przelotu koło Słońca, sonda napotkała specyficzne warunki magnetyczne i cząsteczkowe w odległości 18,8 promienia słonecznego (ok. 13 mln km) nad powierzchnią Słońca, co pozwoliło naukowcom stwierdzić, że sonda przekroczyła krytyczną powierzchnię Alfvéna i weszła w atmosferę Słońca. Podczas przelotu sonda Parker Solar Probe kilkakrotnie wchodziła i wychodziła z korony. Udowodniono to, co niektórzy przewidzieli – że krytyczna powierzchnia Alfvéna nie ma kształtu gładkiej kuli. Wygląda raczej jak mocno pofałdowana powierzchnia z kolcami i dolinami. Odkrycie, gdzie te kolce wiążą się z aktywnością słoneczną pochodzącą z powierzchni, może pomóc naukowcom dowiedzieć się, jak wydarzenia na Słońcu wpływają na atmosferę i wiatr słoneczny.

W oku cyklonu

W pewnym momencie, gdy sonda Parker Solar Probe zanurzyła się nieco poniżej 15 promieni słonecznych (około 10 mln km) od powierzchni Słońca, przeszła przez formację w koronie zwaną pseudostreamerem. Pseudostreamery to masywne struktury, które wznoszą się ponad powierzchnię Słońca i można je zobaczyć z Ziemi podczas zaćmień Słońca. Przejście przez pseudostreamer było jak wlecenie w oko cyklonu. Wewnątrz pseudostreamera warunki uspokoiły się, cząstki zwolniły, a liczba nawrotów spadła – ogromna zmiana w porównaniu z warunkami, jakie sonda zwykle napotyka w wietrze słonecznym.

Pierwsze przejście przez koronę, które trwało zaledwie kilka godzin, jest jednym z wielu zaplanowanych dla misji. Parker Solar Probe będzie nadal poruszała się po spirali bliżej Słońca, osiągając w końcu nawet 8,86 promienia słonecznego (ok. 6 mln km) od powierzchni gwiazdy. Nadchodzące przeloty, z których następny odbędzie się w styczniu 2022 roku, prawdopodobnie ponownie przeniosą sondę Parker Solar Probe przez koronę. Wielkość korony zależy również od aktywności słonecznej. Wraz ze wzrostem 11-letniego cyklu aktywności Słońca zewnętrzna krawędź korony rozszerzy się, dając Parker Solar Probe większą szansę na przebywanie wewnątrz korony przez dłuższy czas.

Sonda zbadała również niezwykłe załamania pola magnetycznego wiatru słonecznego, znane jako serpentyny. Naukowcy już wcześniej wiedzieli o ich istnieniu, ale dopiero dane z sondy Parker Solar Probe pozwoliły im prześledzić, skąd pochodzą, a mianowicie fotosfery – jako leje magnetyczne wyłaniają się pomiędzy strukturami komórek konwekcyjnych zwanych supergranulkami. 

Opracowano na podstawie:

NASA Enters the Solar Atmosphere for the First Time, Bringing New Discoveries