V srpnu 2018 se do kosmického prostoru dostala sonda Parker Solar Probe (zkráceně PSP), která se měla stát rekordmanem z hlediska blízkosti přiblížení ke Slunci. Díky špičkovým vědeckým přístrojům, které nese na palubě, dokáže studovat podmínky ve svém okolí a už nyní, po pouhých třech z plánovaných 24 obletů, prozkoumala dosud neprobádané oblasti sluneční atmosféry – koróny. 4. prosince byly v časopise Nature zveřejněny hned čtyři studie popisující, co se vědci dozvěděli od této unikátní sondy. Zároveň naznačili, na co se můžeme těšit do budoucna.

Objevy odhalují nové informace o chování materiálu a subatomárních částic, které proudí pryč od Slunce. Poznatky od PSP vědce přibližují k nalezení odpovědí na základní otázky spojené s fungováním Slunce. Toto poznání může ve výsledku ochránit astronauty a techniku v kosmickém prostoru. Sonda PSP nám již ukázala, jak Slunce konstantně vyzařuje materiál a energii, což může vědcům pomoci přepsat dřívější modely, které se používaly k předpovědím a simulacím kosmického počasí kolem naší planety. Poznatky se ale dají od Slunce přenést i na jiné hvězdy, které mají podobné procesy vzniku a vývoje.

„První data od PSP odhalila o naší hvězdě mnoho nových a překvapivých pohledů,“ popisuje Thomas Zurbuchen, přidružený administrátor pro vědu v NASA a dodává: „Blízké pozorování Slunce místo sledování z větší dálky nám dává bezkonkurenční pohled na důležité fenomény spojené se Sluncem i jeho vlivem na Zemi. Můžeme tak lépe porozumět procesům aktivních hvězd po celé galaxii. Tohle je jen začátek neuvěřitelného období pro obor heliofyziky, který svými inovacemi prošlapává PSP.“

Při pohledu ze Země se to možná nezdá, ale Slunce v žádném případě není klidné. Naše hvězda je magneticky aktivní, do svého okolí uvolňuje mocné výrony světla, chrlí částice s téměř rychlostí světla, nebo oblaka zmagnetizovaného materiálu s hmotností miliardy tun. Všechny tyto projevy ovlivňují i naši planetu – malé částice mohou poškodit družice na oběžné dráze, nebo ohrozit zdraví astronautů, zvládnou narušit komunikaci, zmást navigaci a v extrémním případě i vyřadit elektrickou rozvodnou soustavu z provozu. Tohle všechno Slunce dělá po celou dobu své existence a ani v budoucnu se těchto projevů nezbavíme.

„Slunce fascinovalo naše předky od pradávna,“ říká Nour E. Raouafi, vědec zapojený do programu PSP z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory v Laurel, stát Maryland a dodává: „Za minulá desetiletí jsme se o naší hvězdě dozvěděli hodně věcí, ale skutečně potřebujeme mise jako je PSP, které míří do sluneční atmosféry. Pouze tam se můžeme dozvědět detaily o komplexních slunečních procesech. Už jen to, co jsme zjistili při třech průletech, změnilo mnoho věcí, které jsme o Slunci věděli.“

Jak již bylo uvedeno výše, dění na Slunci je kriticky důležité pro formování našeho okolí. Většina materiálu, který pochází ze Slunce, je součástí slunečního větru – kontinuálního proudu, který prostupuje celou Sluneční soustavou. Tento ionizovaný plyn (plazma) je unášen magnetickým polem Slunce, které se táhne celou soustavou jako obří bublina s průměrem větším než 15 miliard kilometrů.

Dynamický sluneční vítr

Při pozorování ze Země se zdá, že sluneční vítr je poměrně neměnný tok plazmatu s občasnými turbulencemi. Ovšem v té době už má za sebou nějakých 150 milionů kilometrů dlouhou cestu, během které se veškeré informace o mechanismech urychlování a ohřívání částic u Slunce již vytratily. V blízkosti Slunce tak PSP zjistila, že blízko zdroje je situace úplně jiná a vše tvoří komplikovaný aktivní systém.

„Ta komplexnost nám zamotala hlavu, když jsme začali analyzovat data,“ vzpomíná Stuart Bale z University of California v Berkeley, vedoucí osobnost přístroje FIELDS na sondě PSP, který studuje elektrická a magnetická pole a dodává: „Já už jsem si na to vcelku zvykl, ale když jsem to ukázal poprvé kolegům, byli jsme z toho vedle.“ Jelikož PSP studovala Slunce ze vzdálenosti 24 milionů kilometrů, zachytila mnohem impulzivnější a nestabilní chování, které při sledování ze Země neznáme.

Stejně jako samo Slunce je i sluneční vítr tvořen plazmatem, ve kterém se negativně nabité elektrony oddělily od pozitivně nabitých iontů, čímž vznikl neviditelný mrak volně plynoucích částic s vlastním nábojem. Tyto nabité částice jsou příčinou, proč plazma nese elektrické a magnetické pole, stejně tak změny v plazmatu se často projeví na těchto polích. Přístroj FIELDS prostudoval stav slunečního větru měřením a pečlivou analýzou jak se elektrická a magnetická pole kolem sondy mění v průběhu času, společně s měřením vln v blízkém plazmatu.

Tato měření odhalila rychlé obraty v magnetickém poli a náhlé rychleji se pohybující výrony materiálu – všechny tyto jevy pak způsobují, že je zde sluneční vítr více turbulentní. Tyto detaily jsou klíčem k porozumění, jak sluneční vítr rozptyluje energii, když od Slunce uniká pryč. Jeden druh procesu přitahuje pozornost vědců víc než ostatní – změny směru magnetického pole, které vychází ze Slunce jako součást slunečního větru. Těmto změnám se přezdívá switchbacks (českým ekvivalentem jsou asi nejblíže záměny) a trvá od pár sekund do několika minut, než přejdou kolem sondy.

Během switchbacků se magnetické pole jakýmsi švihem samo přetočí, takže nakonec míří přímo ke Slunci. Společně s přístrojem FIELDS se hodila i data z přístroje SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons), za kterým stojí University of Michigan, jehož úkolem bylo měřit svazky switchbacků během prvních dvou průletů PSP. „Vlny ve slunečním větru jsme pozorovali od začátku kosmického věku a očekávali jsme, že blíže ke Slunci budou tyto vlny silnější. Ale nečekali jsme, že uvidíme, jak jsou organizovány do koherentních struktur rychlostních špiček,“ říká Justin Kasper, hlavní vědecký pracovník přístroje SWEAP z University of Michigan v Ann Arbor a dodává: „Detekovali jsme pozůstatky struktur, které Slunce vyvrhlo do okolí a drsným způsobem narušilo organizaci toku a magnetického pole. Tohle dramaticky mění naše teorie o tom, jak se koróna a sluneční vítr zahřívají.“

Přesný zdroj switchbacků se zatím nepodařilo objevit, ale přístroje na PSP umožnily vědcům zúžit výběr možností na dva finálové kandidáty. Mezi mnoha různými částicemi, které neustále proudí ze Slunce, najdeme i rychle se pohybující elektrony, které unáší siločáry slunečního magnetického pole dál do naší soustavy. Tyto elektrony proudí přesně podél těchto siločar směrem od Slunce bez ohledu na to, zda severní pól magnetického pole v dané oblasti míří směrem od Slunce nebo k němu.

Ale PSP změřila proud těchto elektronů v opačném směru – proud se tedy otočil směrem ke Slunci! To by mohl být důkaz, že se magnetické pole musí ohýbat směrem ke Slunci. To vede vědce k hypotéze, že switchbacky jsou jakýmisi záhyby v magnetickém poli – lokální poruchy cestující pryč od Slunce, spíše než změny magnetického pole vydávaného Sluncem.

Pozorování switchbacků sondou PSP naznačuje, že tyto jevy budou ještě častější, až se sonda dostane blíže ke Slunci. Další průlet perihelem na PSP čeká 29. ledna 2020 a sonda se při něm dostane ke Slunci blíže, než v prvních třech průletech, takže se dají očekávat nové objevy. Nejenže tato informace pomůže změnit naše chápání příčin slunečního větru a změn kosmického počasí kolem nás, ale také nám pomůže lépe porozumět základním procesům, jak hvězdy fungují a jak do svého okolí uvolňují energii.

Rotace slunečního větru

Některá měření z PSP přibližují vědce k odpovědím na desítky let staré otázky. Jedna z nich zní: „Jak přesně plyne sluneční vítr od Slunce.“ Ze Země vidíme, že se sluneční vítr šíří od Slunce radiálně, tedy přímo na všechny strany. Ale Slunce se při uvolňování slunečního větru otáčí. Než se tedy tyto částice osvobodí, tak rotují se Sluncem. Je to podobné jako když se děti točí na kolotoči – atmosféra Slunce se otáčí s hvězdou podobně jako kolotoč, ale čím dál jste od středu, tím rychleji unikáte do okolí. Když by dítě stojící na kraji kolotoče vyskočilo, pak by se v téhle chvíli pohybovalo v přímém směru ven a nepokračovalo by v otáčení. Podobným způsobem najdeme mezi Zemí a Sluncem místo, kde sluneční vítr přechází z rotace kolem Slunce na radiální pohyb pryč od naší hvězdy, tak jak to známe při pohledu od Země.

Přesné umístění tohoto bodu zlomu má vliv na to, jak Slunce uvolňuje energii. Objevení tohoto místa nám může pomoci lépe porozumět životnímu cyklu jiných hvězd, nebo tvorbě protoplanetárních disků – tyto husté disky z prachu a plynu obklopují mladé hvězdy  a tvoří budoucí základ možných planet. Nyní se – poprvé v historii – podařilo sledovat nikoliv přímý tok, jaký známe ze Země. PSP totiž sledovala sluneční vítr v době, kdy stále ještě rotoval kolem Slunce. Je to jako kdyby lidstvo poprvé spatřilo točící se kolotoč a nikoliv až děti, které z něj skáčou.

Přístroje na palubě zaznamenaly, že rotace začíná více než 32 milionů km od Slunce a v době, kdy se sonda blížila k perihelu, se rychlost otáčení zvyšovala. Síla rotace byla silnější, než mnoho vědců čekalo, ale také došlo rychleji než se čekalo k přechodu na přímý směr. Právě proto je celý proces dobře maskovaný pro pozorovatele ze Země. „Masivní rotující tok slunečního větru pozorovaný při prvních průletech byl skutečným překvapením,“ říká Kasper a dodává: „Ačkoliv jsme čekali, že rotační pohyb zaznamenáme blíže ke Slunci, jsou rychlosti, které jsme změřili při prvních průletech skoro desetkrát vyšší, než co předpovídaly naše standardní modely.“

Prach u Slunce

Další otázka, která se snad již brzy dočká odpovědi, je spojena s nevýraznou bezprašnou zónou. Naše Sluneční soustava je plná prachu – drobných zrníček, která jsou pozůstatkem po srážkách, které formovaly planety, planetky, komety a další tělesa před miliardami let. Vědci dlouho předpokládali, že u Slunce by se prach intenzivním zářením ohřál na vysokou teplotu a změnil se v plyn, čímž by kolem Slunce vznikla bezprašná zóna. Problém je, že ji zatím nikdo nikdy nepozoroval.

Sonda PSP vůbec poprvé v historii spatřila, jak se kometární prach postupně zeslabuje. Jelikož přístroj WISPR (pod správou Naval Research Lab) sloužící ke snímání hledí z pohledu sondy na stranu, může pozorovat široký pruh koróny a slunečního větru včetně oblastí blízko Slunce. Na těchto snímcích je vidět, jak množství prachu začíná slábnout od vzdálenosti zhruba 11 milionů kilometrů od Slunce a postupně klesá až na současný limit přístroje WISPR, což je asi 6,5 milionu km od Slunce.

„Tato bezprašná zóna byla předpovězena již před několika desítkami let, ale ještě nikdy nebyla pozorována,“ říká Russ Howard, hlavní vědecký pracovník přístroje WISPR (Wide-field Imager for Solar Probe) z Naval Research Laboratory ve Washingtonu D. C. a dodává: „Nyní vidíme, co se děje s prachem u Slunce.“ Podle toho, jak slábne množství prachu ve známých vzdálenostech, vědci předpokládají, že hranice skutečné bezprašné zóny leží zhruba 3,2 – 4,8 milionu km od Slunce. To by znamenalo, že by v příštím roce sonda mohla tuto oblast pozorovat. Při šestém průletu kolem Slunce se totiž dostane ke Slunci zase o kousek blíže.

Kosmické počasí pod mikroskopem

Měření ze sondy PSP nám přineslo nový pohled na dva typy jevů kosmického počasí – bouře energetických částic a výrony koronální hmoty. Drobné částice (elektrony i ionty) jsou urychlovány sluneční aktivitou a vytváří bouře energetických částic. Události na Slunci dokáží vyslat tyto částice do sluneční soustavy téměř rychlostí světla! To znamená, že se za necelou půlhodinu dostanou k Zemi a stejným tempem pokračují i do vzdálenějších končin. Tyto částice nesou hodně energie, takže zvládnou poškodit elektroniku družic, či ohrozit zdraví astronautů – především pokud budou mimo oběžnou dráhu Země mimo její ochranné magnetické pole. Vzhledem k rychlému šíření a krátkému času na reakci je velmi těžké se jim vyhnout.

Porozumění procesům, jak jsou tyto částice urychlovány na tak ohromné rychlosti, je pro celou věc nezbytné. Ale i když částice dorazí k Zemi jen za pár minut, stále je to dost dlouhá doba na to, aby stihly ztratit veškeré stopy po procesech, které je na začátku urychlily. Jelikož se PSP prosmýkla kolem Slunce ve vzdálenosti jen pár desítek milionů kilometrů, mohla měřit částice, které sotva opustily Slunce. Díky tomu mohla přinést úplně nový pohled na celý proces.

Přístroj ISʘIS pod vedením Princeton University změřil několik dosud nepozorovaných jevů spojených s energetickými částicemi. Jde o jevy tak drobné, že veškeré jejich stopy jsou ztraceny dávno předtím, než částice dorazí k Zemi. Přístroj také změřil vzácný typ částicového výronu se zvláště vysokým množstvím těžších prvků – vědci tak spekulují, že by oba jevy mohly být častější, než se doposud myslelo. „Je úžasné, že i v období slunečního minima Slunce produkuje mnohem víc drobných jevů spojených s energetickými částicemi, než jsme si kdy mysleli,“ popisuje David McComas, hlavní vědecký pracovník přístroje ISʘIS (Integrated Science Investigation of the Sun) z Princeton University v New Jersey a dodává: „Tato měření pomohou odkrýt zdroje, místa urychlení a způsoby transportu nabitých částic a ve výsledku budeme jednou moci lépe ochránit družice a astronauty.“

Přístroj WISPR také poskytl dosud nevídaný pohled na struktury v koróně a slunečním větru – včetně výronů koronální hmoty (CME), což jsou oblaka slunečního materiálu vážící miliardy tun, vyvržená naší hvězdou do okolního prostoru. CME mohou na Zemi spustit celou řadu efektů – od působivých polárních září až po indukování elektrických proudů, které mohou poškodit rozvodnou soustavu či potrubí. Jelikož má WISPR unikátní perspektivu (vidí tyto jevy zboku), mohl přinést nové informace o mnoha různých projevech naší hvězdy.

„Jelikož se PSP srovnávala s otáčením Slunce, mohli jsme sledovat několik dní tok materiálu a vývoj těchto struktur,“ vzpomíná Howard a dodává: „Pozorování od Země způsobila, že jsme si mysleli, že drobné struktury v koróně přechází do plynulého toku – a nyní zjišťujeme, že tomu tak není. To nám pomůže lépe modelovat, jak se tyto projevy přesouvají mezi Sluncem a Zemí.“

Na PSP čeká ještě 21 průletů kolem Slunce, které budou se postupně přibližovat k naší hvězdě. Poslední tři oběhy základní mise dostanu sondu jen 6,13 milionu kilometrů od povrchu Slunce.

„Je to jediná hvězda, kterou můžeme studovat takhle zblízka,“ říká Nicola Fox, ředitelka heliofyzikálního oddělení v NASA a dodává: „Data z tohoto zdroje jsou revoluční pro naše porozumění jak naší vlastní hvězdě, tak i dalším hvězdám v kosmu. Naše malá sonda se prodírá drsnými podmínkami, aby poslala domů překvapivá a vzrušující odhalení.“

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/sweap_thumb.png
https://directory.eoportal.org/documents/163813/3705371/ParkerSP_Auto24.jpeg
https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a013000/a013072/FIELDS_radio_burst-update.png
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/solarwind.png
http://sci.esa.int/science-e-media/img/a3/Solar_wind_buffets_Earth_s_magnetic_field_625w.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/switchbacks-sun-web.gif
https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/nasa_fy_2019_budget_overview.pdf
https://www.nasa.gov/…/full_width_feature/public/images/678410main_layerzoo_full.jpg
https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March03/Vallee2/Figures/figure5.jpg
https://ned.ipac.caltech.edu/level5/March03/Vallee2/Figures/figure5.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/cassini_extrasolar_dust_main.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/dust-free_zone.png
https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a011000/a011095/304-171_Overlay_Blend.jpg
https://spacephysics.princeton.edu/…/isois_instrument.png?itok=pwRkvpka
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/wispr-big.jpg
https://upload.wikimedia.org/…Parker_Solar_Probe_wide.svg.png