Wiatr słoneczny - jaka jest jego definicja?

Choć Słońce wydaje nam się z Ziemi spokojne, jego powierzchnia podlega częstym i gwałtownym zmianom. Nasza najbliższa gwiazda emituje nie tylko światło. Nieustannie wyrzuca w przestrzeń kosmiczną także namagnesowaną plazmę. W jej skład wchodzą cząstki naładowane elektrycznie: elektrony, protony (jądra wodoru), cząstki alfa (jądra helu) i niewielka ilość jąder cięższych pierwiastków.

Wiatr słoneczny zaczyna się na granicy korony słonecznej i rozchodzi się promieniście we wszystkich kierunkach. Jego zasięg wyznacza granice heliosfery. Co jakiś czas od Słońca odrywają się większe obłoki materii. Takie wyrzuty plazmy niesione przez wiatr słoneczny po zderzeniu z ziemską magnetosferą wywołują burze magnetyczne, które mogą uszkadzać satelity i linie energetyczne. Natomiast cząstki wiatru słonecznego wnikające do magnetosfery w rejonach podbiegunowych wywołują zorzę polarną.

W 2020 r. badająca koronę słoneczną Parker Solar Probe uchwyciła dźwięk uwalnianych z korony naładowanych cząstek. Dzięki temu po raz pierwszy usłyszeliśmy brzmienie wiatru słonecznego.

Wiatr słoneczny i jego konsekwencje dla Ziemi

Heliosfera to wypełniona wiatrem słonecznym, gazami i pyłem bańka w przestrzeni rozciągająca się ponad stukrotnie dalej od Słońca niż orbita Ziemi. Jest to zarazem jedyne miejsce we Wszechświecie, co do którego nie mamy wątpliwości, że obecne są w nim istoty żywe. Im lepiej poznamy heliosferę, tym łatwiej będzie nam badać odległe układy planetarne w poszukiwaniu życia.

– Chcemy zrozumieć, jakim zmianom w czasie ulega szybkość i gęstość wiatru słonecznego na różnych szerokościach heliograficznych, od równika do biegunów Słońca. Pozwoli nam to zrozumieć warunki krytyczne dla powstania i podtrzymania procesów biologicznych wokół gwiazd, które w trakcie swej wędrówki w Galaktyce napotykają na różne i zmienne w czasie warunki „meteorologiczne” – wyjaśnia dr hab. Maciej Bzowski, kierujący zespołem naukowców i inżynierów z Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk pracujących nad GLOWS (skrót od GLObal solar Wind Structure). To urządzenie, fachowo zwane fotometrem, będzie obserwować światło emitowane przez atomy wodoru wchodzące w skład wiatru słonecznego.

GLOWS będzie jednym z elementów misji NASA o nazwie IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe). Biorą w niej udział najlepsi eksperci od heliosfery z całego USA i Europy. Obok instytucji takich jak Uniwersytet Princeton, Instytut Technologii Massachusetts (MIT), Laboratorium Napędu Odrzutowego (JPL) czy Narodowe Laboratoria w Los Alamos w gronie tym znalazło się także Centrum Badań Kosmicznych PAN.

Wiatr słoneczny tworzy heliosferę otaczającą Układ Słoneczny

Amerykanie wyjątkowo wysoko ocenili wkład polskich naukowców w rozpoczętą wcześniej i wciąż trwającą misję heliosferyczną IBEX (Interstellar Boundary EXplorer). To otworzyło furtkę do podjęcia większego wyzwania. Tym razem Polacy działają samodzielnie: od złożenia propozycji eksperymentu, przez opracowanie i zbudowanie instrumentu, aż po analizę zebranych danych.

– Rzadko się zdarza, aby w dużych i poważnych misjach kosmicznych za opracowanie, budowę i testy całego instrumentu badawczego odpowiadał jeden instytut – wyjaśnia dr hab. inż. Piotr Orleański z CBK PAN. – GLOWS początkowo zamierzaliśmy budować wspólnie z Niemcami, ale ci wycofali się z projektu ze względów finansowych. Odtąd realizujemy instrument samodzielnie, co było pewną komplikacją. Kolejną jest konieczność bardzo szybkiego dostosowania naszego stylu pracy do amerykańskiego. Mimo tych różnic pomyślnie przeszliśmy pierwszy przegląd projektu – dodaje.

Misja IMAP tworzona jest przez międzynarodowy zespół naukowy pod kierownictwem prof. Davida J. McComasa z Uniwersytetu Princeton, a realizację projektu koordynuje Laboratorium Fizyki Stosowanej z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. – Naszym celem jest jednoczesne badanie dwóch najważniejszych kwestii dotyczących heliosfery, czyli przyspieszenia wyrzucanych przez Słońce naładowanych elektrycznie cząstek oraz interakcji heliosfery z najbliższym kosmicznym otoczeniem – wyjaśnia prof. McComas.

Zdaniem badaczy heliosfera może tworzyć kokon, który chroni Układ Słoneczny w podobny sposób, jak magnetosfera chroni Ziemię przed promieniowaniem kosmicznym. Jej istnienie i rozmiar może też wpływać na to, w jaki sposób formuje się życie na planetach.

Sonda przeanalizuje promieniowanie wiatru słonecznego

Sonda IMAP ma zostać wyposażona w 10 instrumentów pozwalających na prowadzenie kompleksowych badań. Część z nich prowadzi obserwacje zdalne, pozostałe wykonują analizy na miejscu. – Te drugie to przyrządy do badania wyrzucanych przez Słońce cząstek naładowanych. Lokalne obserwacje prowadzi także magnetometr. Natomiast instrumenty do badań zdalnych, w tym konstruowany przez nas GLOWS, będą obserwować zachowanie atomów o różnych energiach – wyjaśnia dr Bzowski.

Obserwacje zdalne polegają w tym przypadku, podobnie jak w klasycznej astronomii, na rejestrowaniu światła. Do sondy IMAP będzie ono docierać z odległych miejsc, w tym z granicy między heliosferą a przestrzenią międzygwiezdną.

W tak złożonej misji kluczowa jest synergia pomiędzy poszczególnymi instrumentami i danymi przez nie pozyskiwanymi. GLOWS ma rejestrować nie tylko fotony emitowane przez kosmiczny wodór, ale również cząstki naładowane elektrycznie.

Natomiast inne zainstalowane na sondzie instrumenty zwane ENA są czułe na fotony ultrafioletowe, które obserwuje GLOWS. Dopiero łącząc dane ze wszystkich 10 przyrządów, będzie można wyrobić sobie pogląd na to, co dzieje się na granicznym obszarze heliosfery.

– Jednak takiego studium nie da się przeprowadzić nie wiedząc, co jest „za płotem”. Chodzi o drugi poza Słońcem czynnik kształtujący heliosferę, czyli materię międzygwiezdną – tłumaczy dr Bzowski. – Słońce porusza się przez jeden z obłoków tej materii, a heliosfera kończy się tam, gdzie wyrównują się ciśnienia wiatru słonecznego i materii międzygwiazdowej. Aby poznać tę materię, musimy dokonać pomiarów, a jedyną na to szansą jest obserwacja gazu międzygwiazdowego wnikającego do heliosfery. Właśnie takie obserwacje będzie prowadził przyrząd IMAP-Lo i nasz GLOWS. IMAP-Lo bardzo szczegółowo, lecz tylko przy samym satelicie, a GLOWS znacznie mniej szczegółowo, ale za to szerzej – dodaje uczony.

Misja NASA ma przeczesać całe niebo analizując wiatr słoneczny

W związku z tym, że CBK PAN odgrywa znaczącą rolę w przedsięwzięciu, będzie miało pierwszeństwo w dostępie do danych zebranych przez wszystkie instrumenty misji. – Przeanalizujemy je, kontynuując tym samym zainicjowany jeszcze w latach 90. XX wieku program heliosferyczny. Dane z GLOWS posłużą m.in. do uzupełnienia modelu czynników jonizacyjnych w heliosferze, który opracowaliśmy w CBK PAN i od lat stosujemy do analizy rozmaitych pomiarów oraz wykorzystujemy przy współpracy z licznymi grupami badawczymi z całego świata – podkreśla dr Bzowski.

Satelita naukowy IMAP ma zostać wyniesiony w kosmos w 2025 roku rakietą firmy SpaceX. Zostanie umieszczony w pobliżu tzw. punktu libracji L1 między Ziemią a Słońcem, ok. 1,5 mln km od Ziemi. W miejscu tym równoważą się potencjały grawitacyjne Ziemi i Słońca, dzięki czemu umieszczony w jego pobliżu statek kosmiczny łatwiej jest utrzymać w stałym położeniu względem Ziemi i Słońca.

Nie oznacza to, że satelita będzie pozostawał w absolutnym bezruchu. Ponieważ punkt L1 codziennie przesuwa się wraz z Ziemią, to również pola widzenia instrumentów IMAP każdego dnia znajdą się w nieco innych miejscach. Dzięki temu w ciągu pół roku instrumenty satelity będą mogły obejrzeć niemal całe niebo.

– Każdego kolejnego dnia będziemy obserwowali przetykany gwiazdami przebieg strumienia światła emitowanego przez wodór. Fachowo nazywamy to krzywą blasku. Ta krzywa będzie zmieniała się w ciągu roku, w miarę jak będziemy widzieli coraz to inne rejony heliosfery. Cały czas jednak będzie w sobie nosić jakiś odcisk struktury wiatru słonecznego, którego będzie szukał i który będzie badał nasz instrument – mówi dr Bzowski.

Badanie wiatru słonecznego będzie kosztować pół miliarda dolarów

Całkowity budżet misji to ponad 500 mln dolarów, nie licząc wyniesienia na orbitę. Koszt ten podzielą między sobą instytucje współtworzące IMAP. Finansowy udział Polski będzie stosunkowo niewielki. W ramach porozumienia, jakie Ministerstwo Edukacji i Nauki podpisało pod koniec ubiegłego roku z NASA, wyłożymy na opracowanie i budowę instrumentu oraz analizę zebranych danych kwotę 16 mln zł. A chociaż jest to tylko niewielki procent kosztów misji, to dzięki niemu polscy uczeni zyskają dostęp do wszystkich danych z IMAP.

Emerytowany wicedyrektor NASA Steve Jurczyk zaznacza, że porozumienie z Polską opiera się na współpracy zainicjowanej już w 1962 r. Wtedy w Obserwatorium w Borówcu (obecnie to jeden z ośrodków CBK PAN) prowadzono na zlecenie NASA naziemne obserwacje amerykańskich satelitów. – Doceniamy wsparcie Polski dla misji IMAP. Wspólnie będziemy pracować nad lepszym poznaniem naszego kosmicznego otoczenia – podkreśla Steve Jurczyk.

– Konkurs na udział w misji IMAP wygraliśmy między innymi dzięki wieloletnim inżynierskim doświadczeniom w tworzeniu instrumentów badawczych dla Europejskiej Agencji Kosmicznej – mówi prof. Iwona Stanisławska, dyrektor CBK PAN. – Praca nad GLOWS to długi proces, wymagający skrupulatności i stałego zaangażowania. Ale to również wyjątkowa radość, gdy widzimy logo CBK PAN wśród emblematów kilkunastu najważniejszych instytucji naukowych świata. To pokazuje, że polska nauka z zakresu badań kosmosu, choć borykająca się z brakami, w tym tymi finansowymi, broni się jakością na najwyższym, światowym poziomie – dodaje uczona.