Parker wykonuje najbliższy i najszybszy przelot w pobliżu Słońca

Parker Solar Probe to mała sonda, który po prostu porusza się i przelatuje obok Słońca. 27 września wykonał swoje 17. bliskie podejście i prześlizgnął się zaledwie 7,26 miliona kilometrów nad warstwą “powierzchniową” Słońca (zwaną fotosferą).

To tylko najnowsze osiągnięcie sondy, która stała się również pierwszym w historii statkiem kosmicznym, który przeleciał przez koronalny wyrzut masy – i żył, aby opowiedzieć historię. To przejście CME miało miejsce 5 września 2022 roku, podczas 13. podejścia do Słońca.

Najnowsze osiągnięcie sondy zostało ustanowione przez asystę grawitacyjną przelot w pobliżu Wenus pod koniec sierpnia. Podczas największego zbliżenia sonda Parker Solar Probe poruszała się z prędkością 635 266 kilometrów na godzinę. Zarówno bliskie zbliżenie, jak i spotkanie CME to tylko dwa z wielu najważniejszych punktów misji, która planuje kontynuować badania Słońca i środowiska słonecznego do połowy 2025 roku. Jak dotąd statek kosmiczny jest w całkiem niezłym stanie, biorąc pod uwagę to, czego doświadcza podczas misji. Parker robi to wszystko w temperaturze do 1400 °C. Jego główne instrumenty są chronione przez ekranowanie, które pozwala im działać w środowisku o temperaturze pokojowej zbliżonej do normalnej.

Parker i jego słoneczne osiągnięcia
Naukowcy zajmujący się Słońcem wysłali Parkera, aby pomógł im zrozumieć niektóre z najbardziej zagadkowych aspektów aktywności naszej gwiazdy. Jego głównym celem jest korona słoneczna. Chcą dowiedzieć się, co ogrzewa koronę, śledząc przepływ energii, która ogrzewa tę najwyższą część atmosfery słonecznej. Ponadto chcą zrozumieć, w jaki sposób i dlaczego wiatr słoneczny przyspiesza, gdy opuszcza Słońce.

Artystyczna wizja wiatru słonecznego ze Słońca (po lewej) oddziałującego z ziemską magnetosferą (po prawej). Parker Solar Probe bada ten wiatr u jego źródła. Źródło: NASA

Ponieważ Słońce jest w dużej mierze plazmą, chcą zrozumieć jego strukturę i pola magnetyczne, które istnieją i wpływają na przepływ plazmy ze Słońca przez wiatr słoneczny. Wreszcie, misja jest wyposażona do badania energetycznych cząstek płynących ze Słońca i określenia ich mechanizmu transportu.

O tym koronalnym wyrzucie masy
My na Ziemi doświadczamy koronalnych wyrzutów masy, gdy przechodzą one od Słońca w drodze przez Układ Słoneczny. Te potężne zdarzenia wyrzucają ogromne masy plazmy przez przestrzeń kosmiczną, poruszając się z prędkością od 100 do 3 kilometrów na sekundę. Wiele CME nie napotyka naszej planety, ale kiedy to robią, skręcają i rozciągają pole magnetyczne naszej planety. Rezultaty mogą wahać się od pięknych pokazów zorzy polarnej do zakłóceń komunikacji i sieci elektrycznych.

Fizycy słoneczni chcieliby być w stanie przewidzieć te niesamowite burze słoneczne. Od dawna chcieli zmierzyć siły, które napędzają CME. W szczególności chcą wiedzieć, co przyspiesza naładowane cząstki w eksplozjach do dużych prędkości. Mają nadzieję, że Parker może dostarczyć im danych na temat tego, co dzieje się na Słońcu w miarę budowania.

5 września 2022 roku Parker okrążał drugą stronę Słońca. Przeleciał zaledwie około 6 miliardów kilometrów nad powierzchnią. Wtedy wykrył CME w miarę jego budowania. Później statek kosmiczny przeszedł przez strukturę wyrzutu, doświadczył jego krawędzi natarcia, a następnie opuścił materiał. Był to dość ekstremalny CME i pozwolił Parkerowi zebrać dane o prędkości i gęstości fali uderzeniowej. Na szczęście ten nie uderzył w Ziemię. Gdyby jednak tak było, zdarzenie poważnie uszkodziłoby systemy komunikacyjne i prawdopodobnie spowodowałoby powszechne przerwy w dostawie prądu.

To najbliższy Słońcu CME, jaki kiedykolwiek zaobserwowaliśmy. Nigdy nie widzieliśmy wydarzenia tej skali na taką odległość.powiedział Nour Raouafi, naukowiec projektu Parker Solar Probe w Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) w Laurel w stanie Maryland, który zbudował statek kosmiczny w ramach harmonogramu i budżetu NASA, a obecnie zarządza i obsługuje misję.

Parker i Słońce
Aby uzyskać informacje naukowe do zrozumienia korony i CME, naukowcy potrzebowali statku kosmicznego, który mógłby zasadniczo przelecieć przez Słońce – a przynajmniej jego koronę. Tu właśnie wkracza Parker. Osłona termiczna, grzejniki pokładowe i system ochrony termicznej chronią go przed CME i wiatrem słonecznym. Podczas CME jedynym efektem, jaki odczuwał, był niewielki “moment obrotowy” – niewielka akcja obrotowa, którą natychmiast kompensował.

Przez resztę tego roku i do 2024 roku Parker będzie podążał za bliskimi orbitami wokół Słońca. Pod koniec 2024 roku odbędzie się ostatni przelot w pobliżu Wenus, który wyznaczy trzy ostatnie przejścia peryhelium na 2025 rok. W sumie naukowcy planują 24 przejścia peryhelium przed zakończeniem misji. Dane, które dostarcza, powinny otworzyć nowe okna wiedzy na temat wiatru słonecznego i procesów, które uruchamiają go w Układzie Słonecznym.

Parker Solar Probe leci wystarczająco blisko Słońca, aby zobaczyć źródło szybkiego wiatru słonecznego

Skąd pochodzi wiatr słoneczny? To pytanie, na które fizycy słoneczni chcieli odpowiedzieć od dziesięcioleci. Teraz Parker Solar Probe pokazuje im dokładnie, gdzie ten strumień cząstek opuszcza naszą gwiazdę w podróży przez przestrzeń międzyplanetarną.

Parker podąża za orbitą, która zabiera go bardzo blisko Słońca. Dla każdego innego statku kosmicznego takie przejście byłoby pocałunkiem śmierci. Ale ta sonda została zbudowana do bliskich podejść, aby mogła zbierać dane in-situ o zewnętrznej atmosferze (zwanej koroną) i dziwnych “pęknięciach” w koronie zwanych koronalnymi. W ten sposób był w stanie patrzeć bezpośrednio na struktury na Słońcu, które tworzą tak zwane “szybkie” wiatry słoneczne.

Sekret szybkich wiatrów słonecznych
Zespół naukowców kierowany przez Stuarta D. Bale’a (University of California, Berkeley) i Jamesa Drake’a z University of Maryland-College Park powiedział, że Parker wykrył strumienie wysokoenergetycznych cząstek, które pasują do tak zwanych przepływów “supergranulacji” wewnątrz koronalnych.

W szczególności sonda zarejestrowała aktywność zwaną “rekoneksją magnetyczną”, która tworzy ten komponent szybkiego wiatru. Pomyśl o koronalnych jak o głowicach prysznica słonecznego. Zamiast wody, strumienie energetyzowanych cząstek wyłaniają się ze Słońca i podróżują wzdłuż linii pola magnetycznego. Kiedy pola magnetyczne o dwóch różnych polaryzacjach spotykają się w tych “lejkach” głowicy prysznicowej, pola magnetyczne mogą pęknąć. Następnie szybko się ponownie łączą, a ta aktywność energetyczna wyrzuca naładowane cząstki w przestrzeń kosmiczną jako część szybkiego wiatru słonecznego.

“Fotosfera jest pokryta komórkami konwekcyjnymi, jak we wrzącym garnku z wodą, a przepływ konwekcyjny na większą skalę nazywa się supergranulacją” – powiedział Bale. “Tam, gdzie te ogniwa supergranulacyjne spotykają się i schodzą w dół, ciągną pole magnetyczne na swojej drodze do tego rodzaju lejka w dół. Pole magnetyczne staje się tam bardzo intensywne, ponieważ jest po prostu zakleszczone. To rodzaj miarki pola magnetycznego spływającego do odpływu. A przestrzenne oddzielenie tych małych odpływów, tych lejków, jest tym, co widzimy teraz za pomocą sondy słonecznej.”

Co ciekawe, Bale powiedział, że podczas gdy ponowne połączenie w lejkach dostarcza energii dla wiatru słonecznego, wydaje się, że dzieje się to tylko w określonych obszarach koronalnej. “Pochodzi z tych małych wiązek energii magnetycznej, które są związane z przepływami konwekcyjnymi” – powiedział. “Nasze wyniki, jak sądzimy, są mocnym dowodem na to, że to ponowne połączenie to robi”.

Powyższe zdjęcie ogólnej granulacji w fotosferze słonecznej zostało wykonane przez teleskop słoneczny Daniela K. Inouye. Parker przyjrzał się regionom supergranulacji wewnątrz koronalnych. Źródło: NSO/AURA/NSF.

O wietrze słonecznym
Astronomowie wiedzą o wietrze słonecznym od czasu, gdy astronomowie Richard C. Harrington i Richard Hodgson po raz pierwszy zaobserwowali rozbłyski słoneczne w 1859 roku. Carrington następnie powiązał ten wybuch z burzą geomagnetyczną, która uderzyła w Ziemię dzień później. Inni naukowcy, tacy jak Arthur Eddington, Kristian Birkeland i Ludwig Biermann, kontynuowali badania tego zjawiska. Jeszcze inni zauważyli, że ta aktywność słoneczna wydaje się wpływać na warkocze plazmy komet. Zjawisko to jest dość dobrze rozumiane dzięki dziesięcioleciom obserwacji komet i korelacji z danymi z takich sond jak sonda Ulysses, Armada Halleya i inne.

Wiatr słoneczny wypływa ze Słońca we wszystkich kierunkach. Różni się gęstością (czyli ilością cząstek, które przenosi), temperaturą i prędkością. Zmiany te pojawiają się na wszystkich szerokościach i długościach geograficznych Słońca. Zmieniają się również w czasie. Ogólnie rzecz biorąc, wiatr ten istnieje w składowej szybkiej (lub szybkiej) i powolnej. Oba te reżimy wpływają nie tylko na komety, ale także na planety w Układzie Słonecznym. Na przykład powoduje “pogodę kosmiczną” na Ziemi, zorze polarne na Jowiszu i Saturnie oraz eroduje marsjańską atmosferę.

Szybki wiatr słoneczny zazwyczaj przyspiesza z prędkością około 750 kilometrów na sekundę, podczas gdy wolniejszy komponent porusza się z prędkością około 300-500 kilometrów na sekundę. Oba te składniki wydają się mieć nieco odmienne pochodzenie. Wiatr o niskiej prędkości wydaje się pochodzić z pasa “serpentyn” Słońca, który znajduje się mniej więcej blisko równika. Szybki wiatr słoneczny pochodzi z tych koronalnych, które Parker zbadał bardzo szczegółowo.

Koronalne otwory Redux
To nie są tak naprawdę “” w sensie fizycznej “w Słońcu”. W rzeczywistości są to obszary, w których linie pola magnetycznego wyłaniają się z fotosfery Słońca bez zapętlania się z powrotem do wewnątrz. Zamiast tego pozostają jako linie otwartego pola, które rozszerzają się na zewnątrz i wypełniają większość przestrzeni wokół Słońca. koronalne zwykle obozują na biegunach podczas spokojnych okresów Słońca. Oznacza to, że szybki wiatr słoneczny, który generują, zwykle nie napotyka Ziemi. Jednak co 11 lat poziom aktywności Słońca wzrasta wraz z odwróceniem pola magnetycznego. W tych okresach zwiększonej aktywności koronalne mogą pojawić się na całej powierzchni. W tym okresie “maksimum słonecznego” wybuchy szybkiego wiatru słonecznego mogą skończyć się skierowaniem bezpośrednio na Ziemię. Przez długi czas fizycy słoneczni nie wiedzieli dokładnie, jak działa proces generowania wiatru słonecznego w koronalnych. To dlatego, że wiatr słoneczny musi przejść przez koronę słoneczną. Zanim dotrze do Ziemi i innych obserwatoriów słonecznych, strumień ten jest tylko rozmyciem naładowanych cząstek.

Śledzenie miejsc narodzin szybkiego wiatru słonecznego
Podczas ostatniego bliskiego przelotu Parker znalazł się w odległości 25 promieni Słońca (21 milionów km) od Słońca. Podczas tego przejścia sonda specjalnie wyzerowała koronalne. Wtedy był w stanie zobaczyć drobne “struktury lejka”, które generują szybki przepływ. Nour Raouafi, naukowiec projektu Parker Solar Probe w Laboratorium Fizyki Stosowanej, mówi, że struktury lejków prawdopodobnie są związane z jasnymi dżetami, które można zobaczyć z Ziemi w koronalnych.

Rozwiązanie tajemnicy wiatru słonecznego było sześćdziesięcioletnim marzeniem wielu pokoleń naukowców. Teraz chwytamy się fizycznego zjawiska, które napędza wiatr słoneczny u jego źródła – korony.powiedział Raouafi.

Zaglądanie do miejsc narodzin szybkiego wiatru słonecznego to nie tylko ćwiczenie z fizyki słonecznej. Dane z Parkera (wraz z innymi obserwatoriami słonecznymi w kosmosie i na ziemi) są nieocenione, jeśli chodzi o przewidywanie burz słonecznych. Wiatr słoneczny odgrywa ogromną rolę w tych zaburzeniach geomagnetycznych, które mogą siać spustoszenie w satelitach, systemach komunikacyjnych i sieciach energetycznych na Ziemi.

Wiatry przenoszą wiele informacji ze Słońca na Ziemię, więc zrozumienie mechanizmu stojącego za wiatrem słonecznym jest ważne ze względów praktycznych na Ziemi. Wpłynie to na naszą zdolność do zrozumienia, w jaki sposób Słońce uwalnia energię i napędza burze geomagnetyczne, które stanowią zagrożenie dla naszych sieci komunikacyjnych.powiedział Drake.

Misja Parker Solar Probe rozpoczęła się w 2018 roku. Wykona 24 orbity wokół Słońca przed połową 2025 roku. Najbliżej Słońca znajduje się około 8,8 promienia Słońca nad powierzchnią. To odległość około 6,5 miliona kilometrów. Jeśli zbliży się, ciepło i ogromne promieniowanie usmażą delikatne instrumenty, których używa do badania Słońca.

W tej chwili Parker wykonuje większość swojej pracy teraz, gdy Słońce znajduje się w okresie maksimum słonecznego. Chociaż jest to ekscytujący czas, zwiększona aktywność słoneczna może zagrozić statkowi kosmicznemu lub przesłonić niektóre z tych precyzyjnie szczegółowych procesów, które zespół próbuje zbadać.