Tikrai ambicinga ir unikali mokslinė misija: kas vyksta Saulėje ir ką tirs Solar Orbiter

Saulė – vienas svarbiausių mūsų gyvenimo komponentų nuo senovės: tiek kaip viena svarbiausių dievybių ankstyvosiose religijose, tiek kaip svarbiausias šviesos ir šilumos šaltinis. Visgi, vien tokių žinių apie Saulę yra mažokai. Saulė mūsų gyvenimus veikia ir subtilesniais būdais, kurių iki galo nesuprantame, pavyzdžiui, elektromagnetinėmis audromis, galinčiomis sutrikdyti mūsų komunikacijas ar net sveikatą.

Taip pat Saulė yra ir unikali laboratorija. Jau vien jos paviršius yra apie 5800 K temperatūros, palyginamos su atominių bombų karščio banga, sukeliančia gerokai daugiau destrukcijos, nei kiti sprogimo efektai, kaip pati sprogimo banga ar ilgalaikė radiacija. Saulės gelmėse yra ekstremalūs tankiai ir temperatūros, leidžiančios vykti termobranduolinės sintezės procesams, kurių pasekmes taip pat galime stebėti.

Tuo pačiu, Saulė yra artimiausia mums žvaigždė, tačiau antros arčiausios mums žvaigždės, Kentauro Proksima, net negalime plika akimi matyti (labiausiai dėl to, kad jos šviesis dar 500 kartų mažesnis už Saulės). Ryškiausia žvaigždė be Saulės yra Sirijus, ji yra vienuolikta artimiausia mums žvaigždė, 25 kartus šviesesnė už Saulę, bet dėl didelio atstumo nuo Žemės yra net 7 milijardus kartų blyškesnė. Tad, norint suprasti kitas žvaigždes, kaip atskaitos tašką gerokai lengviau naudoti Saulę, nes ją galime stebėti daug detaliau.

Solar Orbiter yra jau šeštoji Europoje sukurta kosminė observatorija skirta tirti Saulę. Europos kosmoso agentūra (ESA) planuoja ją paleisti jau 2020 m. vasarį. Viena iš pagrindinių šios misijos sukūrimo paskatų buvo užsitęsęs Saulės minimumas. Fundamentalus Solar Orbiter misijos tikslas yra suprasti, kaip Saulė sukuria ir kontroliuoja heliosferą. Misijos tikslai:

• kaip ir iš kur Saulės vainike (aukščiausioje Saulės atmosferos dalyje) susiformuoja Saulės vėjo plazma ir magnetinis laukas?
• kaip Saulės epizodiniai reiškiniai veikia heliosferos svyravimus (heliosfera – Saulės įtakojama erdvės dalis, siekianti Žemę ir toliau)?
• kaip Saulės medžiagos išsiveržimai sukuria daleles užpildančias heliosferą?
• kaip Saulės dinama (reiškinys kuriantis ir palaikantis Saulės magnetinį lauką) veikia ir kaip ji siejasi su heliosfera?

Šiems tikslams reikia būtent Solar Orbiter observatorijos: esminis šios observatorijos išskirtinumas – šios observatorijos orbita sieks iki 25 laipsnių platumos. Tai reiškia, kad ši observatorija galės stebėti Saulės poliarinius regionus, ko mes negalime efektyviai daryti iš Žemės.

Kas sieja šiuos tikslus? Jau turbūt aišku, kad heliosferą kuria Saulė. Daleles į heliosferą išpučia Saulės vėjas, kuris kyla dėl didelės energijos lokalių reiškinių Saulės vainike, susijusių su magnetiniu lauku. Magnetinis laukas pasižymi charakteringomis linijomis, kurios stabdo medžiagos cirkuliaciją. Todėl egzistuoja Saulės dėmės – vėsesnės Saulės paviršiaus dalys, kuriose magnetinio lauko linijos stabdo konvekciją ir atitinkamai sutrikdo energijos pernešimą konvekcijos būdu.

Dėl diferencialinio Saulės sukimosi (skirtingo sukimosi greičio priklausomai nuo gylio) šios magnetinės linijos užsisuka vainike ir galiausiai nutrūksta, išmesdamos plazmą į heliosferą. Tai sudaro heliofizikos esmę. Kadangi Saulė nėra išskirtinė tarp savo tipo žvaigždžių (nykštukių), šie tyrimai turi ir platesnę astrofizikinę reikšmę, tačiau gali būti vykdomi tik tiriant Saulę – ji palyginti arti.

Nors atrodytų, kad heliosferą būtų galima tirti iš Žemės, tačiau per 150 milijonų kilometrų – vieną astronominį vienetą, AU – ji jau būna gerokai išsisklaidžiusi, tad negalima efektyviai susieti jos reiškinių priežastiniais ryšiais su reiškiniais Saulėje. Solar Orbiter skries gerokai arčiau, iki 0,28 AU, ir bus galima gerokai efektyviau stebėti Saulės reiškinius heliosferoje. Taip pereiname prie pirmojo misijos tikslo. Yra žinoma, kad vainiko viršgarsiniai vėjai nuolat plečiasi ir heliosferoje sąveikauja su planetomis iki pat heliopauzės, esančios toliau, nei Plutono orbita.

Pavyzdžiui, Žemėje šie vėjai sukelia daugumą mūsų atmosferos magnetinių reiškinių, tokių kaip šiaurės pašvaistė, reikšmingai paveikė Veneros ir Marso evoliuciją, išnaikindami viršutinius jų atmosferos sluoksnius. Saulės vėjas skirstomas į du tipus: greitą (~700 km/s) ir lėtą (~400 km/s). Šių vėjų balansas susijęs su Saulės 11 metų magnetinio aktyvumo ciklu. Greitas vėjas kyla iš skylių vainike, tačiau iš kur kyla lėtas vėjas – nežinoma. Tai nėra tos pačios vainiko skylės, nes šie vėjai pasižymi skirtingu masės srautu ir sudėtimi. Iš Žemės (1 AU) mes paprasčiausiai negalime išskirti, iš kur kyla lėtas vėjas, o su Solar Orbiter bus galima išskirti paties vėjo dinamines savybes, pagal kurias bus galima nustatyti jo kilmę.

Atskira vainike vykstančių reiškinių klasė yra vainiko masės išmetimai (angl. coronal mass ejection – CME) – didžiausi epizodiniai reiškiniai Saulėje. Jie kyla, kai trūksta magnetinio lauko linijos ir tiek medžiaga, tiek jos magnetinis laukas, didelės struktūros, yra išmetami iki 3000 km/s greičiu. Šie reiškiniai turi astrofizikinę svarbą, nes jie yra pagrindinis būdas, kaip žvaigždės atsikrato jų dinamos proceso sukurto magnetinio lauko.

Tarpplanetinės vainikinės masės išmetimai yra pagrindinė geomagnetinių audrų priežastis, tačiau labai sunku tirti jas iš plokštumos, kur jos sklinda. Ne ką lengviau Saulėje įvykusią CME stebėti iš Žemės. Dėl gerokai mažesnio atstumo ir gerokai virš ekliptikos plokštumos (kurioje sukasi planetos), Solar Orbiter padės daug geriau suprasti, kaip tokie reiškiniai, kaip CME vyksta ir sklinda heliosferoje.

Atskiro dėmesio vertas Saulės kaip efektyvaus dalelių greitintuvo vaidmuo. Kaip daug astrofizikinių objektų, Saulėje vykstantys procesai (tokie, kaip vainiko masės išmetimai) įgreitina daleles iki reliatyvistinių greičių. Pasiekusios Žemę, tokios dalelės vadinamos kosminiais spinduliais ir gali būti gerokai energingesnės, nei mes galime pasiekti mūsų dalelių greitintuvuose. Saulė sukuria daug tokių dalelių, pavyzdžiui vainiko masės išmetimai gali iki 10 % savo kinetinės energijos perduoti įgreitintoms dalelėms, be to, įgreitinimas gali vykti ir magnetinėse kilpose. Tačiau šių reiškinių ir jų įgreitintų dalelių stebėjimai iš Žemės sudėtingi – jų trajektorijas iškraipo tarpplanetinis magnetinis laukas, todėl jas registruoti reikia gerokai arčiau esančios observatorijos – Solar Orbiter.

Ir galiausiai, būtina suprasti pačią Saulės dinamą. Šį globalų Saulės magnetinį lauką kuria Saulės trimatės srovės konvekcijos zonoje, ir šis laukas perneša energiją į Saulės atmosferą, chromosferą, vainiką ir galiausiai – heliosferą, kurioje yra ir Žemė. Šis dinamos reiškinys vyksta kvazistacionariu 11 metų ciklu. Nepaisant ankstesnių Ulysses, SOHO ir Hinode kosminių observatorijų tyrimų, pažangos teoriniuose modeliuose ir skaitmeninėse magnetinių reiškinių simuliacijose, informacijos adekvačiam dinamos ir jos poveikio supratimui vis dar gerokai per mažai. Čia Solar Orbiter unikalus indėlis – ši observatorija stebės poliarinius regionus, ko negalime daryti iš ekliptikos plokštumos. Reikėtų turėti omenyje, kad iš ekliptikos plokštumos stebėdami Saulės polius, žiūrime įkypai atmosferos ir atitinkamai, vaizdą užstoja daugiau medžiagos, nei pusiaujo regione.

Šiose Saulės dalyse slepiasi daug unikalios informacijos ne tik apie pačią dinamą, kuriančią Saulės dėmes, bet ir apie taip vadinamus „magnetiškai tylius“ sluoksnius. Jie taip vadinami, nes pagrindinė dinama neturėtų daryti reikšmingos įtakos tokiose platumose, tačiau gali veikti mažesnės dinamos, nes tokie regionai taip pat pasižymi magnetiniu lauku. Net konvektyvių žvaigždžių, kuriose dėl mažo sukimosi greičio neturėtų veikti Saulės tipo dinamos, atmosferose stebimi magnetiniai laukai. Tad, ir čia Solar Orbiter turėtų būti reikšmingas naujų žinių šaltinis.

Pati Solar Orbiter observatorija bus 21 sensoriumi trijose ašyse nuolat stabilizuojamas Saulės palydovas, vykdantis nuotolinius Saulės stebėjimus ir renkantis duomenis apie aplinkinę medžiagą. Jis bus apsaugotas karščiui atspariais skydais, o fotovoltinės baterijos bus pasukamos statmenai Saulės krypčiai, kad neperkaistų. Planuojama duomenų perdavimo sparta – 150 kb/s (1 AU atstumu nuo Žemės). Planuojama misijos trukmė – 7 metai su galimybe pratęsti dar 3 metams ir dar 2 metai duomenų apdorojimui.

Iš viso observatorijos detektoriai sveria 180 kg ir juos sudaro:

• aplinką stebintys detektoriai:
  • Energingų dalelių detektorius tirs energingų dalelių sudėtį, laikinį ir erdvinį pasiskirstymą;
  • Magnetometras dideliu tikslumu tirs aplinkos magnetinį lauką;
  • Radijo ir plazmos bangų detektorių sistema didele laikine skyra tirs tiek aplinkos, tiek, nuotoliniu būdu, elektrinius ir magnetinius laukus;
• Saulės vėjo plazmos tyrimo sistema tirs Saulės vėjo jonų ir elektronų savybes (tankį, greitį, temperatūrą ir kt.) ir jonų cheminę sudėtį nuo 0,28 iki 1,4 AU
• nuotolinio stebėjimo instrumentai:
  • ekstremalaus ultravioleto kamera stebės aukštesnius atmosferos sluoksnius (dėl didelio neskaidrumo UV dalyje spinduliuotė formuojasi aukščiau) ir pirmą kartą pateiks Saulės nuotraukas UV srityje už ekliptikos plokštumos ribų;
  • koronografas didele laikine ir erdvine skyra vienu metu registruos regimąją, ultravioletinę ir ekstremalią ultravioletinę spinduliuotę už 1,4-1,7 iki 3,0-4,1 Saulės spindulių nuo centro;
  • poliarimetrinė ir helioseisminė kamera didele skyra  stebės Saulės diską regimojoje srityje ir matuos spinduliuotės intensyvumą, magnetinio lauko vektorius ir greičius stebėjimo kryptimi, pirmiausiai skirtus gauti informacijai apie konvektyvius sluoksnius, kuriuose veikia dinama;
  • helioseisminė kamera skirta aptikti vainiko masės išmetimus, remiantis didelės erdvinės skyros regimosios šviesos, išsklaidytos elektronais, stebėjimais;
  • ekstremalaus ultravioleto spektrografas skirtas stebėti vainiką Saulės diske, leidžiantis susieti vainiko reiškinius su Saulės vėju, registruojamu observatorijos aplinkoje – rentgeno spindulių spektrometru.
  Solar Orbiter yra tikrai ambicinga ir unikali mokslinė misija, kuria siekiama suprasti tiek reiškinius tiesiogiai darančius įtaką Žemei, tiek jos ir Saulės aplinką, tiek pačią Saulę, tiek astrofizikinės reikšmės reiškinius vykstančius ir kitose žvaigždėse. Ši misija turėtų būti paleista jau 2020 metų vasarį ir pateikti daug naujų atradimų!

   

  J. Klevas
  

  Parengta, remiantis: Solar Orbiter. Exploring the Sun-heliosphere connection

  ▲