Polski wkład w misję Solar Orbiter

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 PAP 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. (PAP)

Paweł Wernicki