Zrobią sztuczne zaćmienie Słońca. To pomoże rozwiązać tych pięć kosmicznych zagadek

Sztuczne zaćmienie Słońca to wielkie wyzwanie dla naszej technologii. Zaćmienie Słońca na Ziemi to zjawisko niezwykle rzadkie i ulotne. Księżyc na chwilę zasłania tarczę Słońca, dając naukowcom szansę na zbadanie korony słonecznej – tajemniczej, gorącej warstwy otaczającej naszą gwiazdę. Problem polega na tym, że naturalne zaćmienia trwają tylko kilka minut i zdarzają się rzadko.

ESA postanowiła więc wziąć sprawy w swoje ręce. W misji Proba-3 dwa precyzyjnie sterowane satelity będą współpracować, by stworzyć własne, sztuczne zaćmienie. Pierwszy z nich, pełniący rolę „tarczy”, zasłoni Słońce, podczas gdy drugi, wyposażony w zaawansowane instrumenty, skupi się na badaniu korony.

Co ciekawe, satelity będą musiały utrzymać idealną odległość 150 m od siebie z dokładnością do 1 milimetra – to technologiczne wyzwanie na najwyższym poziomie. Nigdy wcześniej nie udało się osiągnąć milimetrowej precyzji, z jaką para satelitów ustawi się w przestrzeni kosmicznej.  

Satelity misji Proba-3 ma zostać wyniesiona w kosmos przez indyjską rakietę PSLV-XL, a start będzie miał miejsce z Centrum Kosmicznego Satish Dhawan w Indiach w czwartek 5 grudnia 2024 r.

Przyjrzyjmy się bliżej pięciu największym słonecznym tajemnicom, które zostaną zbadane w ramach tej misji. 

Wszyscy wiemy, że Słońce jest gorące, ale wciąż pozostaje zagadką, w jaki sposób materiał w zewnętrznej atmosferze Słońca, koronie słonecznej, może osiągać temperatury rzędu miliona stopni. Powierzchnia naszej gwiazdy, zwana fotosferą, ma temperaturę "zaledwie" 4500–6000 stopni C.  

Fotosfera jest warstwą Słońca, z której może uciec światło widzialne. Poniżej niej światło emitowane przez atomy w gorącym, gęstym wnętrzu Słońca jest niemal natychmiast ponownie absorbowane przez inne atomy. Światło może być uwięzione wewnątrz Słońca przez długi czas, zanim ucieknie z fotosfery przez mniej gęsty naładowany gaz (plazmę) powyżej. 

Przechodząc do korony, która jest mniej gęsta i znajduje się dalej od jądra Słońca, można by się spodziewać niższych temperatur. Zamiast tego robi się około dwieście razy cieplej!  

Koronograf ASPIICS jest głównym instrumentem naukowym Proba-3. Jedną z rzeczy, na które ASPIICS będzie polować, są fale przemieszczające się przez pętle i pióropusze plazmy w koronie. Ten rodzaj ruchu jest prawdopodobną przyczyną wysokich temperatur korony.

Wiatr słoneczny to ciągły strumień plazmy wysyłany przez Słońce, składający się głównie z elektronów, protonów i cząstek alfa. Kiedy wiatr słoneczny zderza się z polem magnetycznym Ziemi, może powodować zorze polarne.  

Podobnie jak wiatr na Ziemi, wiatr słoneczny może być szybki lub wolny, łagodny lub porywisty. Występuje w dwóch głównych typach, które różnią się nie tylko prędkością wiatru, ale także składem i regionem źródłowym.  

„Powolny” wiatr słoneczny, który nadal dociera do Ziemi z prędkością do 500 km/s, czyli 1,8 mln km/h, składa się z cząsteczek przypominających skład zewnętrznej atmosfery Słońca, czyli korony. Choć szczegóły pozostają nieuchwytne, wiadomo, że ten typ wiatru słonecznego jest powiązany z aktywnymi obszarami plam słonecznych na Słońcu, które powodują rozbłyski i erupcje słoneczne. 

„Szybki” wiatr słoneczny może osiągać prędkość ponad 2 mln km/h i składa się z mieszanki cząstek bardziej przypominającej powierzchnię Słońca. Wiadomo, że ten typ wiatru pochodzi ze struktur magnetycznych zwanych dziurami koronalnymi – regionów, w których pole magnetyczne Słońca nie zawraca w dół do Słońca. Plazma może płynąć na zewnątrz wzdłuż tych „otwartych” linii pola magnetycznego, tworząc wiatr słoneczny.  

Koronograf ASPIICS Proba-3 zbada, w jaki sposób skręcone i skoncentrowane linie pola magnetycznego pochodzące z plam słonecznych oddziałują z polem magnetycznym. Poprzez poszukiwanie „plam” powolnego wiatru słonecznego może śledzić, w jaki sposób i gdzie wiatr jest wypychany.

Wiatr słoneczny to jeden z rodzajów pogody kosmicznej, ale to na co naprawdę musimy uważać, to potężne burze słoneczne. Koronalne wyrzuty masy (CME) to ogromne bańki naładowanych cząstek (plazmy) przeplatane liniami pola magnetycznego. CME są często – ale nie zawsze – wystrzeliwane w tym samym czasie co rozbłyski promieniowania elektromagnetycznego znane jako rozbłyski słoneczne.   

Gdy Ziemia zostanie uderzona przez CME, może to zdeformować ochronne pole magnetyczne Ziemi i spowodować burzę geomagnetyczną. Burze te mogą wpływać na satelity, zakłócać systemy nawigacyjne, powodować przerwy w dostawie prądu i przenosić zorze polarne na niższe szerokości geograficzne.  

Szybko poruszające się CME mogą również tworzyć fale uderzeniowe, które przyspieszają protony lub inne cząstki wokół Słońca do ekstremalnie wysokich prędkości. Te „słoneczne cząstki energetyczne” mogą uszkodzić statki kosmiczne i stanowić zagrożenie dla astronautów poza ochronną atmosferą Ziemi. 

Proba-3 będzie badać, co dzieje się przed CME, jak wybuchają, jak się rozszerzają na zewnątrz i jak oddziałują z innymi strukturami i aktywnością wokół Słońca.

Więcej o tajemnicach Słońca przeczytasz na Spider's Web:

Przestrzeń wokół Ziemi nieustannie przemierzają cząstki, które albo pochodzą ze Słońca, albo są do nas wysyłane z innych miejsc w Układzie Słonecznym, albo docierają do nas z przestrzeni międzygwiezdnej. Na szczęście chroni nas przed nimi ochronna atmosfera Ziemi i pole magnetyczne. To samo pole zatrzymuje naładowane cząstki w pierścieniach wokół Ziemi, znanych jako pasy radiacyjne Van Allena.  

Te szybko poruszające się, wysokoenergetyczne cząstki stanowią zagrożenie dla urządzeń w kosmosie. Mogą one zakłócać pomiary i pamięć pokładową, a nawet powodować trwałe uszkodzenia i stwarzać potencjalne zagrożenie dla astronautów. 

Dzięki instrumentowi 3DEES Proba-3 zmierzy liczbę, kierunek pochodzenia i energie elektronów w pasach radiacyjnych Ziemi. Po raz pierwszy energia i strumienie wysokoenergetycznych elektronów zostaną zmierzone w tym samym czasie w sześciu różnych kierunkach obejmujących pole widzenia 180 stopni.  

3DEES pozwoli zbadać zachowanie pasów radiacyjnych Ziemi w normalnych warunkach, ale sprawdzi również, jak wpływają na nie warunki pogodowe, w tym wspomniane wcześniej wiatr słoneczny i koronalne wyrzuty masy.   

Słońce świeci każdego dnia, ale nie zawsze tak samo. W ciągu roku, w zależności od odległości Ziemi od Słońca, całkowite natężenie promieniowania słonecznego docierające do Ziemi może się zmieniać nawet o 6 proc. Jednak ilość promieniowania Słońca zmienia się również w zależności od tego, jak bardzo jest aktywne, a zmiany wynoszą około 0,1 proc. w ciągu około 11-letniego cyklu słonecznego.

Przedmiotem naukowej debaty nadal jest to, jak bardzo zmieniła się produkcja energii przez Słońce w dłuższych okresach czasu (100–1000 lat). Podczas gdy ostatnie zmiany klimatyczne są z pewnością spowodowane działalnością człowieka, możliwe jest, że Słońce odegrało znaczącą rolę w przeszłych zmianach klimatycznych, takich jak ochłodzenie w czasie Małej Epoki Lodowcowej (ok. 1300–1850). Czy Słońce może być bardziej zmienne, niż pokazują ostatnie zapisy?

Słońce odpowiada za ponad 99,9 proc. energii dostępnej na powierzchni Ziemi, a nawet niewielkie zmiany mogą mieć duży wpływ na procesy kształtujące klimat Ziemi. Znajomość całkowitego nasłonecznienia jest ważna dla dokładnego modelowania klimatu.

Proba-3 będzie stale mierzyć energię słoneczną za pomocą swojego instrumentu DARA. DARA jest zaprojektowany tak, aby zminimalizować niepożądane światło rozproszone, może się samokalibrować i powinien być w stanie mierzyć natężenie promieniowania słonecznego częściej dzięki szybszemu systemowi sterowania. 

Misja Proba-3 to kolejny dowód na to, że badania kosmosu wciąż nas zaskakują. Dzięki tej misji będziemy mogli lepiej zrozumieć naszą gwiazdę i jej wpływ na nasze życie. A to z kolei pozwoli nam lepiej przygotować się na przyszłość i zabezpieczyć naszą planetę przed potencjalnymi zagrożeniami ze strony kosmosu.