Dotik Sonca: Pripravite se na presenečenja

Ikar bi ji zavidal, da bo tako blizu Sonca. V soboto, 11. avgusta, bo na raketi Delta IV Heavy podjetja United Launch Alliance proti naši zvezdi poletela solarna sonda Parker. Zaradi dovršene tehnologije, vgrajene v 1,2 milijarde evrov vredno sondo, pri ameriški vesoljski agenciji ne govorijo o poti v pekel, ampak, bolj romantično, o dotikanju za nas tako zelo pomembne zvezde, ki pa je še zdaleč ne razumemo. Upajo, da bodo, če bo seveda šlo vse po načrtih, z bližnjimi srečanji med drugim dobili odgovor, zakaj je korona segreta na več kot milijon stopinj Celzija, medtem ko je samo površje 300-krat hladnejše, in kako Sončev veter pobegne v vesolje.



Sonda Parker bo bližje Soncu kot katerokoli drugo plovilo človeške izdelave, tja bo prispela v treh mesecih, prve podatke bi morda lahko poslala že decembra. A to bo šele začetek, v predvidenih sedmih letih ga bo obkrožila še 23-krat, vsakič bo nekoliko bližje in leta 2024 bo razdalja le 6,2 milijona kilometrov nad »površjem« oziroma fotosfero, kar pomeni, da bo plovilo potovalo skozi skrivnostno zunanjo atmosfero. To je sedemkrat bližje od dosedanjega rekorda, ki ga je leta 1976 postavilo zahodnonemško plovilo Helios B (Soncu se je približalo na 43,4 milijona kilometrov). Razdalja je kar desetkrat manjša od povprečne oddaljenosti Merkurja od Sonca, ki je 58 milijonov kilometrov. Pri Nasi so leta 2005 razmišljali, da bi v vsaj eni ali dveh eliptičnih orbitah prišli še dvakrat bližje razbeljeni površini, a so bili prisiljeni oklestiti stroške. V laboratoriju za uporabno fiziko Johnsa Hopkinsa, kjer so razvijali plovilo, so v zameno izsilili dodatne orbite.

Časovnica orbit:

Neposebna posebna zvezda

Sonce astronomi uvrščajo med zvezde glavnega niza, tipa G, oziroma med rumene pritlikavke, čeprav rumen sij, ki ga vidimo, dobi šele ob prehajanju skozi atmosfero, sicer je bel. Ima premer 1,39 milijona kilometrov, torej je kar 109-krat širše od Zemlje, a je v primerjavi z nekaterimi orjakinjami, če gledamo samo velikost, pravi palček. Znana Orionova zvezda Betelgeza, ki sodi med rdeče orjakinje, je kar 700-krat večja, ima pa precej nižjo površinsko temperaturo kot Sonce, ki bo čez nekaj milijard let tudi zraslo v rdečo orjakinjo. Največja trenutno znana zvezda je sicer UY Scuti, ki ima polmer 2,4 milijarde kilometrov ali 1708 polmerov Sonca.



V samem jedru Sonca, kjer se pod neverjetnim pritiskom vodikovi atomi zlivajo v helij, je temperatura več kot 15 milijonov stopinj Celzija. V fotosferi ali na površju, ki seveda ni trdno tako kot na Zemlji, ampak ga sestavlja 300 do 400 kilometrov debela plast vročih plinov, je temperatura okoli 5500 stopinj Celzija, od tam k nam pride tudi največ svetlobe. Sončevo površje ni povsod enako svetlo in vroče, območja peg imajo lahko temperaturo 4000 stopinj Celzija. Naslednja plast je kromosfera, na meji 500 kilometrov nad površjem je temperatura najnižja – okoli 3700 stopinj, nato pa narašča in je na meji s korono že kakšnih 50.000 stopinj, dvig temperature pa spremlja padec gostote. Ta nekaj tisoč kilometrov debela plast je ob popolnem sončnem mrku vidna kot tanek pas škrlatne barve. Nato vstopimo v korono, kjer je gostota plina zelo majhna, ima pa temperaturo od milijona do kar deset milijonov stopinj Celzija. Večinoma je ujeta v močnem magnetnem polju, a vseeno se dogaja, da atomi v obliki Sončevega vetra pobegnejo na svobodo.

​

Nenavaden primer Sončeve korone

Sonce ima vsaj dve veliki skrivnosti, ki kljubujeta logiki. Če sedite ob ognju, je toplo in prijetno; bolj ko se oddaljite, hladneje je. Sončeva korona, kot je razvidno iz navedenih temperatur, pa se ne obnaša tako. Več milijonov kilometrov debela korona dosega celo tristokrat višje temperature, kot jih merijo na površini, a je tudi milijonkrat manj gosta, zato je manj svetla od površine.

Brez posebnih naprav lahko korono opazimo le med popolnim sončnim mrkom in to je bilo dolgo edina možnost za proučevanje. Prvič so problem koronskega segrevanja, ki je eno največjih neodgovorjenih vprašanj v astrofiziki, opazili med popolnim mrkom leta 1869. Različni elementi oddajajo različno svetlobo in s spektrometri so lahko ugotovili sestavo, posledično tudi temperaturo, in takrat so opazili zelenkasto črto, ki po valovni dolžini ni ustrezala nobenemu znanemu elementu, menili so, da so odkrili novega, in ga poimenovali koronium.



Šele 70 let kasneje so dognali, da gre pravzaprav za železo, ki pa je tako segreto, da je od 26 elektronov normalnega atoma ostala le še polovica. Da se to zgodi, bi morale temperature dosegati najmanj milijon stopinj Celzija, kar pa je dvestokrat več od temperature površine, so ugotovili. Pri dovolj visokih temperaturah atomi trkajo drug ob drugega in si v procesu ionizacije izbijajo elektrone. Pri zelo visokih, od 1,3 do 2,3 milijona stopinj Celzija, lahko atomi železa izgubijo devet elektronov do trinajstih. Znanstveniki so leta razvijali modele, da bi se, kot je dejal Justin Kasper z michiganske univerze, dokopali do odgovora, kako se korona segreje tako zelo hitro in zakaj se segrevanje nadaljuje iz kilometra v kilometer. Sonda se torej podaja v samo jedro problema.

Zamisel o potovanju do Sonca je precej starejša od Nase, ki letos praznuje 60 let, a šele v zadnjih desetletjih je tehnologija tako napredovala, da bi jo lahko uresničili. Solarna sonda, napovedujejo pri vesoljski agenciji, bo raziskovala v smeri dveh glavnih teorij. Po eni so vzrok izjemne vročine tako imenovani Alfvénovi valovi, ki nastajajo v nenehno spreminjajočem se magnetnem polju Sonca, druga pa govori o nanoizbruhih, ob katerih se sprosti vročina, podobno kot se to zgodi pri eksplozivnih Sončevih izbruhih. Teoriji, kot pojasnjujejo pri Nasi, se ne izključujeta, morda sta celo povezani. Pri tem je še vprašanje, kako pogosto se dogaja eno ali drugo. Problem segrevanja bosta skušala razvozlati instrumenta Fields, ki bo meril elektromagnetno polje, in Sweap, ki bo zbiral podatke o sami plazmi.

Kako lahko uide gravitaciji?

V zgornji atmosferi pa je še nekaj zelo nenavadnega, kar bega znanstvenike, vse odkar je pojav leta 1958 prvič opisal fizik Eugene Parker, po katerem je sonda dobila ime. Še vedno namreč ni povsem jasno, kako Sončev veter – tok nabitih delcev uide gravitaciji in odpotuje v vesolje. Sončev veter potuje skozi celotno osončje. Ob trku z Zemljinim magnetnim poljem lahko ustvari čarobne severne sije, toda po drugi strani astronavte izpostavi radiaciji, vpliva na občutljivo elektroniko satelitov in ob zelo močnem vetru celo povzroči izpad GPS ali električnega omrežja.



Tudi veter, kot korona, kljubuje znanim zakonom fizike. Moral bi se hladiti in ustavljati, ko se širi, a se ne. Kaj žene nabite delce, da se s stotinami kilometrov na uro širijo po osončju? Nizko v koroni magnetno polje plazmo trdno drži, le nekoliko višje se delci gibajo tako hitro, da se otepejo gravitacije in uidejo. »Tu se dogaja čarovnija. In tu bomo mi,« je dejala Nicola Fox, glavna znanstvenica pri misiji. Z lastno toplotno energijo delcev kot glavno gonilno silo ni mogoče dovolj dobro pojasniti izrednih hitrosti, zato tudi tu stavijo na Alfvénove valove. Sonda bo poskušala odkriti, na kateri točki veter dobi zagon, in čim bolj natančno določiti mehanizme, kako se ti valovi sprožijo.

Znanstveniki, med njimi tudi zdaj 91-letni Parker, zaslužni profesor na čikaški univerzi, se zavedajo, da jih čakajo presenečenja. »To je odprava v neznano. Pripravljeni moramo biti na presenečenja. Morda bomo našli kaj, na kar sploh nismo pomislili, ali pa smo, pa nismo imeli prav,« je na nedavni konferenci univerze dejal Parker, ki se veseli obdobja, ko bo sonda na Zemljo začela pošiljati prve podatke.

Izredne inovacije

Ko nas žge poletno sonce, si je težko zamisliti, da obstaja tehnologija, ki bo prenesla nepredstavljivo vročino kar dveh milijonov stopinj Celzija v zunanji plasti Sončeve atmosfere. Vendar ta pravzaprav ne bo segrevala sonde, ampak sama površina. Pri Nasi pojasnjujejo, da je pri razumevanju, kako bodo plovilo in instrumenti ostali zaščiteni, treba razlikovati med temperaturo in toploto. Delci se lahko premikajo zelo hitro (visoka temperatura), toda če jih je malo, oddajo le malo energije (toplote). Korona, kot smo že omenili, ima skrajno visoke temperature, vendar nizko gostoto. To so ponazorili z razliko, ki bi jo občutili, če bi dali roko v vrelo vodo (100 stopinj) ali v pečico, segreto na 200 stopinj (ne da bi se dotaknili površine). V vročem zraku pečice bi zdržali precej dlje kot pa v gostejši vodi, kjer je telo v stiku z veliko več delci. »Podobno je z vidno površino Sonca in korono, ki je manj gosta in kjer bo na plovilo vplivalo precej manj delcev.« Kljub potovanju skozi območje izjemnih temperatur se bo površina toplotnega ščita segrela le na okoli 1400 stopinj Celzija.



To je še vedno izredno veliko (za primerjavo, lava ima od 700 do 1200 stopinj) in tu nastopi vrhunski inženirski dosežek. Sistem toplotne zaščite ima premer 2,4 metra in je debel vsega 11,5 centimetra, kar pa je dovolj, da bodo znanstveni instrumenti in samo plovilo na drugi strani ščita ogreti le na prijetnih 30 stopinj Celzija. Ščit sestavlja več plasti zelo lahke karbonske pene, ki ima še plast bele barve, da bo odbijal čim več svetlobe. Na testiranjih je zdržal 1650 stopinj Celzija, kar pomeni, da lahko zdrži vso toploto, poslano s Sonca. Se pa ne bodo vsi instrumenti skrivali v varnem zavetju. Na prostem bo ostala Faradayeva skodelica za merjenje Sončevega vetra, izdelana iz zlitine titana, cirkonija in molibdena, ki ima talilno temperaturo pri 2349 stopinjah Celzija. Pri sestavljanju instrumentov so se zanesli tudi na volfram, ki se tali pri 3422 stopinjah, žičke elektronike so iz niobija, obdane z umetnimi safirji.



Sonda – načrtovanemu jedrskemu pogonu so se odpovedali zaradi klestenja stroškov – bo delovala s pomočjo energije zvezde, ki jo bo proučevala, in brez zaščite bi se solarni paneli pregreli. Ob vsakem bližnjem srečanju se bodo tako umaknili za karbonski ščit, le delček bo izpostavljen močnim žarkom, za hlajenje pa bo skrbel po navedbah Nase razmeroma preprost sistem, ki je dovolj močan, da ohladi povprečno veliko dnevno sobo. Hladilna tekočina je deionizirana (kemično čista) voda pod pritiskom, da bo meja vrelišča nad 125 stopinjami Celzija.



Solarna sonda bo na poti sama. Sama svetloba potrebuje osem minut, da od Sonca pripotuje do Zemlje. Če bi se pojavile težave, bi bilo tako verjetno za sondo že prepozno, če bi jo nadzorovali z matičnega planeta. Plovilo je zato izdelano tako, da varuje samo sebe. Na robu ščita je pritrjenih več senzorjev, ki bodo osrednjemu računalniku sporočali, kako naj se sonda obrne, da bo zaščita največja možna.

Predvidoma leta 2020 se bo sondi Parker pridružil še solarni orbiter Evropske vesoljske agencije, ki bo Sonce sicer proučeval z večje razdalje, in sicer 0,28 astronomske enote, medtem ko bo sonda Parker oddaljena le 0,04 astronomske enote (ena enota je povprečna razdalja med Soncem in Zemljo). Do takrat bo operativen tudi solarni teleskop Daniel K. Inouye na Havajih, ki bo vsak dan izrisoval posnetke korone.