700 000 km/h. Sonda Solar Probe od NASA przyspiesza z roku na rok
Oprac.: Marcin Szałaj
Poznając historię sondy Parker Solar Probe, trudno uwierzyć, że nikt nie postanowił nazwać jej po prostu "Ikar". W końcu od samego początku jej zadaniem było dosłownie dotknięcie Słońca - przelot i co najważniejsze przetrwanie w górnych warstwach atmosfery naszej gwiazdy. Co dokładnie bada sonda, która niedługo po raz 14. odwiedzi koronę słoneczną i jak udało się rozpędzić ją do niemal 200 kilometrów na sekundę?
Parker Solar Probe. Historia misji
Sonda wzięła swoją nazwę od nazwiska Eugene'a Parkera - astrofizyka, który w 1958 roku zasugerował istnienie wiatru słonecznego. W momencie startu misji pan Parker stał się pierwszą osobą, która miała okazję obserwować wyniesienie w kosmos statku nazwanego jej własnym nazwiskiem. Rakieta Delta IV Heavy odpaliła silniki 12 sierpnia 2018, a genialny naukowiec zmarł niemal 4 lata później - w marcu 2022 roku.
Celem misji jest Słońce. Centralna gwiazda naszego układu gwiezdnego stanowi 99,8 proc. jego całkowitej masy, jednak do połowy poprzedniej dekady technologia nie pozwalała na stworzenie narzędzia, które mogłoby działać w bezpośredniej bliskości takiego obiektu. W tym samym czasie inna sonda, Voyager 1, już od ponad 5 lat przemierzała kosmiczną pustkę poza umownymi granicami Układu Słonecznego.
Sonda Parkera ma 3 metry wysokości i nieco ponad 2 metry średnicy. Gdyby spojrzeć na nią z góry, zobaczylibyśmy pod sobą kształt sześciokąta - to osłona termiczna wykonana z najbardziej wytrzymałych kompozytów węglowych. Plan misji od początku zakładał przeloty przez zewnętrzne warstwy atmosfery naszej gwiazdy (tzw. koronę słoneczną).
Czytaj także: Mars - planeta, na której można zamieszkać?
Tarcza musi uchronić instrumenty naukowe i systemy zasilające sondę przed temperaturą sięgającą niemal 1500 stopni Celsjusza i promieniowaniem słonecznym prawie 500 razy silniejszym niż to, które dociera do powierzchni Ziemi. Jak skuteczna jest ta osłona? Kadłub sondy ukryty w jej cieniu nagrzewa się do zaledwie 30 stopni - mniej niż większość telefonów przy odpaleniu trochę bardziej obciążającej procesor gry.
Ogromne prędkości osiągane przez Parker Solar Probe są nieodzownym elementem poruszania się po tego typu orbicie. Siły, które oddziałują na sondę w momencie zbliżenia do gwiazdy, są gigantyczne. W połączeniu z prędkością początkową cały układ przypomina działaniem katapultę, albo kosmiczną gumkę-recepturkę, która "wystrzeliwuje" sondę z gigantyczną prędkością, jednak nie pęka, tylko zwalnia i zaczyna przyciągać sondę w ramach kolejnego okrążenia.
Astrofizycy potrafią obliczać wszystkie siły opisywane powyżej na tyle dokładnie, że nauczyli się wykorzystywać je do własnych celów. Manewr wykorzystujący grawitację innego obiektu do nadania sondzie czy statkowi pożądanej prędkości i trajektorii nosi miano asysty grawitacyjnej.
Przykładu nie musimy szukać specjalnie daleko. To właśnie dzięki wykorzystaniu asysty grawitacyjnej Wenus udało się umieścić Parker Solar Probe na orbicie tak ciasno owiniętej wokół Słońca, przynajmniej z jednej strony. Takie manewry sonda będzie wykonywała do końca swojej misji - w sumie przeleci obok Wenus 7 razy, ostatni w listopadzie 2024. Za każdym razem prędkość sondy będzie wzrastać, a orbita ulegać jeszcze silniejszemu spłaszczeniu (jeszcze głębszemu "nurkowaniu" w koronę słoneczną).
Podczas finalnej fazy misji Parker Solar Probe osiągnie prędkość niemal 700 000 km/h, czyli prawie 195 km/s. To najszybszy obiekt, który kiedykolwiek wyszedł spod ludzkiej ręki.
Spróbujmy uzmysłowić sobie, co to oznacza.
Gdybyśmy z taką prędkością pokonywali trasę z Warszawy do Katowic, to w minutę zrobilibyśmy 25 kursów w tę i z powrotem. Podróż ze stolicy do Londynu zajęłaby 7 sekund, do Nowego Jorku 34 sekundy, a do Nowej Zelandii niecałe półtorej minuty. Lot na Księżyc potrwałby ok. 30 minut (Apollo 11 leciał tam ponad 3 doby).
Asysta grawitacyjna ma jedną podstawową zaletę - pozwala zaoszczędzić ogromne ilości paliwa, którego z oczywistych względów nie da się już dotankować po wystrzeleniu statku kosmicznego.
Jeśli okaże się, że w sondzie zostanie jeszcze zapas paliwa, misja będzie kontynuowana. Finalnie jednak naukowcy stracą możliwość korygowania trajektorii, a sonda zdolność przesyłania wyników obserwacji na Ziemię. Według Andrew Driesmana, kierownika projektu sondy z Uniwersytetu Johna Hopkinsa, po utracie zasilania konstrukcja zacznie się rozpadać, aż na orbicie pozostanie tylko 73-kilogramowy dysk osłony. Orbity heliocentryczne (wokółsłoneczne) są na tyle stabilne, że tarcza może tak orbitować aż do eksplozji Słońca po wyczerpaniu paliwa dla reakcji jądrowych - wodoru.
Po każdym przelocie w pobliżu Słońca sonda przesyła ogrom informacji, które według słów naukowców zaangażowanych w projekt będą analizowane jeszcze wiele lat po utracie kontaktu ze statkiem. Za osłoną termiczną Parker Solar Probe skrywa 4 instrumenty badawcze:
- SWEAP - urządzenie, które zlicza cząstki najczęściej występujące w wietrze słonecznym, mierząc właściwości elektronów, protonów i jonów helu.
- WISPR - teleskop, który tworzy trójwymiarowe obrazy korony słonecznej i wewnętrznej heliosfery pozwalając na obserwację struktur formujących się w atmosferze gwiazdy.
- FIELDS - aparatura dokonująca bezpośrednich pomiarów fal uderzeniowych, które przechodzą przez plazmę atmosferyczną Słońca.
- IS☉IS - zestaw dwóch urządzeń do pomiarów spektrograficznych (rejestracja widma promieniowania) cząsteczek w pobliżu sondy.
Jedną z głównych zagadek, które naukowcy chcą rozwiązać dzięki danym zebranym przez sondę jest odpowiedź na pytanie, dlaczego korona słoneczna jest o wiele bardzie gorąca niż powierzchnia gwiazdy. Różnica jest kolosalna - na powierzchni, czyli do krawędzi kuli słonecznej temperatura oscyluje w granicach 5-6 tysięcy stopni Celsjusza. Tymczasem niektóre fragmenty korony rozgrzewają się do nawet 20... milionów stopni. Mówimy więc o różnicy rzędów wielkości.
W tym miejscu uważni czytelnicy zapewne wyłapią pewną nieścisłość - skoro korona rozgrzewa się do 20 milionów stopni, a sonda przez nią przelatuje, to jakim cudem jest wystawiona na działanie zaledwie 1500 stopni Celsjusza?
Cóż, korona słoneczna jest gigantyczna, a ogromne temperatury pojawiają się w jej głębszych warstwach. Kiedy podczas 8. przelotu sondy obok Słońca naukowcy ogłosili, że statek "dotknął Słońca" mieli na myśli przekroczenie tzw. powierzchni Alfvena - sfery wokół gwiazdy, w której zjonizowany gaz pozostaje pod kontrolą sił grawitacyjnych Słońca.
Jakkolwiek abstrakcyjna nie wydaje się ta misja, to analiza danych przesyłanych przez Parker Solar Probe może okazać się kluczowa dla naszej planety, gatunku ludzkiego i cywilizacji, którą ten gatunek stworzył.
Zrozumienie mechanizmów, które stoją choćby za koronalnymi wyrzutami masy. Niektóre z nich są skierowane ku Ziemi, a strumienie naładowanych cząsteczek, które uderzają w naszą atmosferę wywołują burze magnetyczne - jedno z największych zagrożeń dla szeroko rozumianej technologii. W 1921 roku zarejestrowano zjawisko niemal tak silne, że gdyby wystąpiło dzisiaj wiązałoby się z utratą prądu przez połowę obywateli USA. Co ciekawe, burzę o podobnym natężeniu odnotowano także w 1989 roku, jednak awarie nie przybrały przewidywanej skali. Zakłócenia wystarczyły jednak, aby na kilka godzin pozbawić prądu kilka milionów Kanadyjczyków i wstrzymać handel na giełdzie w Toronto.
Poza tymi wyjątkowo "przyziemnymi" korzyściami trzeba też pamiętać, że badanie Słońca to w rzeczywistości badanie przedstawiciela jednej z najliczniejszych grup w klasyfikacji gwiazd. Słońce zalicza się do żółtych karłów, czy inaczej gwiazd ciągu głównego o typie widmowym G i klasie jasności V. Szacuje się, że ok. 7 proc. wszystkich gwiazd w Drodze Mlecznej należy do tej samej kategorii co Słońce.
Nawet biorąc pod uwagę ostrożne szacunki mówiące o 200 miliardach gwiazd w naszej galaktyce, daje nam to 14 miliardów obiektów, na których działają takie same mechanizmy, co te, które bada Parker Solar Probe.
Czytaj także:
Zobacz też:
