PSP okusila atmosféru Slunce

PSP okusila atmosféru Slunce

24. prosince 2021

Poprvé v historii můžeme říct, že se nějaká sonda dotkla Slunce. Americká sonda Parker Solar Probe totiž poprvé proletěla svrchní atmosférou naší životodárné hvězdy, takzvanou korónou. Při té příležitosti analyzovala okolní částice a měřila tamní magnetické pole. Dá se říct, že tento milník představuje velký krok pro sondu samotnou a ohromný skok pro výzkum Slunce. Podobně jako přistání na Měsíci umožnilo vědcům porozumět tomu, jak náš průvodce vznikl, první dotek s materiálem, ze kterého je Slunce tvořeno, pomůže vědcům odhalit klíčové informace o naší nejbližší hvězdě a jejím vlivu na celý planetární systém.

Vizualizace switchbacků.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

„Dotek Slunce v podání Parker Solar Probe je mimořádný okamžik pro výzkum Slunce a jde o skutečně jedinečnou událost,“ uvedl Thomas Zurbuchen, přidružený administrátor ředitelství vědeckých misí v centrále NASA ve Washingtonu a dodal: „Nejenže nám tento milník poskytne hlubší pohled na vývoj Slunce a jeho dopady na Sluneční soustavu, ale vše, co se naučíme o naší vlastní hvězdě, nám také prozradí cenné informace o hvězdách v celém vesmíru.“ S tím, jak se sonda při svých obězích kolem Slunce stále více přibližuje k naší hvězdě, připisuje si stále nové objevy, které dřívější sondy nemohly udělat, protože se nedostaly dostatečně blízko. V roce 2019 třeba Parker Solar Probe objevila zig-zag magnetické struktury ve slunečním větru, proudu nabitých částic ze Slunce. Tyto struktury dostaly označení switchbacks a jsou v blízkosti Slunce poměrně hojné. Ovšem záhadou zůstávalo, jak a kde vznikají. Od té doby však sonda zmenšila vzdálenost od Slunce na polovinu, takže mohla proletět dost blízko, aby objevila jedno místo, kde vznikají – povrch Slunce, ale o tom až později.

Vědecké přístroje na sondě Parker Solar Probe
Zdroj: https://directory.eoportal.org

První průchod korónou a výhled na další takové momenty nabízí potenciál sbírat data o jevech, které se nedají pozorovat z dálky. „Při průletech tak blízko od Slunce nyní Parker Solar Probe vnímá podmínky v magneticky řízené vrstvě sluneční atmosféry, které jsme dříve nemohli sledovat,“ popisuje Nour Raouafi, vědec z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory v Laurelu, stát Maryland, zapojený do programu PSP a dodává: „V datech o magnetickém poli, slunečním větru i na obrázcích vidíme jasné důkazy, že opravdu jsme v koróně. Můžeme pozorovat průlet sondy strukturami koróny, které můžeme vidět při úplném zatmění Slunce.“

Vizualizace oběžné dráhy sondy Parker Solar Probe.
Zdroj: https://blogs.nasa.gov/

Sonda Parker Solar Probe byla vypuštěna v roce 2018, aby prozkoumala tajemství Slunce tím, že se k němu dostane blíže, než jakákoliv sonda v historii. Desítky let po prvotním nápadu a tři roky po startu se dá říct, že sonda dosáhla svého cíle. Slunce (na rozdíl od Země) nemá pevný povrch. Má však superhorkou atmosféru tvořenou slunečním materiálem, který spojuje sluneční gravitace a magnetické síly. Rostoucí tlak a teplota tlačí materiál od Slunce a v určité fázi se dostane do míst, kde jsou gravitace a magnetické pole tak slabé, že jej už neudrží. Toto místo, takzvaný Alfvénův kritický povrch (Alfvén critical surface) představuje konec sluneční atmosféry – za ním již začíná sluneční vítr. Materiál ze Slunce s energií dostatečnou pro překonání této hranice se stává slunečním větrem, který s sebou vezme část magnetického pole Slunce a letí s ním meziplanetárním prostorem. Podstatné je, že za Alfvénovým kritickým povrchem se již sluneční vítr pohybuje tak rychle, že vlny zachycené uvnitř tohoto větru se už nemohou pohybovat dostatečně rychle na to, aby se dostaly zpět ke Slunci – jejich spojení se přeruší.

Přiblížení sondy PSP ke Slunci (červeně) ve srovnání s očekávanou pozicí Alfvénova kritickéhjo povrchu (modré pozadí) ve vztahu k počtu slunečních skvrn (zeleně).
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Až doposud si výzkumníci nebyli stoprocentně jistí, kde přesně se Alfvénův kritický povrch nachází. Na základě dálkového snímkování koróny se odhadovalo, že by se mohl nacházet někde mezi 10 a 20 poloměry Slunce (6,9 – 13,8 milionu kilometrů) od slunečního povrchu. S tím, jak se Parker Solar Probe postupně přibližuje ke Slunci, mohou vědci porovnávat měření z různě vzdálených průletů. Při několika posledních průletech se sonda dostala vždy pod hranici 20 slunečních poloměrů. Pokud tedy byly odhady správné, měla tuto hranici překonat. Historický moment nastal 28. dubna 2021 při osmém průletu sondy kolem Slunce. Parker Solar Probe zaznamenala specifické podmínky jak z pohledu magnetického pole tak i částic ve vzdálenosti 18,8 slunečních poloměrů (cca 13 milionů kilometrů) nad povrchem Slunce. Vědci z těchto dat vyčetli, že sonda poprvé v historii překonala Alfvénův kritický povrch a vstoupila do sluneční atmosféry. „Věděli jsme, že to dříve či později přijde, že aspoň na chviličku zažijeme průlet korónou,“ říká Justin Kasper, hlavní autor nové studie o tomto milníku, která byla publikována v časopise Physical Review Letters, který je také zástupcem ředitele pro technologie ve společnosti BWX Technologies, Inc. či profesorem Michiganské univerzity a dodává: „Je ale úžasné, že jsme toho skutečně dosáhli.“

Během zmíněného průletu sonda několikrát vletěla do koróny a zase ji opustila. Tím se potvrdily teorie některých vědců, kteří předpokládali, že Alfvénův kritický povrch nemá tvar dokonale hladké koule. Spíše bychom na něm našli výběžky a propadliny, které zvrásnily tento nehmotný povrch. Objev, kde se tyto odchylky shodují se sluneční aktivitou z povrchu, může vědcům pomoci porozumět tomu, jak jevy nad Sluncem ovlivňují jeho atmosféru a sluneční vítr. V jednu chvíli se sonda dostala kousek pod hranici 15 slunečních poloměrů (cca 10,4 milionu kilometrů) od povrchu Slunce, když prošla přes jev označovaný jako pseudostreamer. Jde o masivní výrony, které stoupají z povrchu Slunce a mohou být pozorovány při slunečních zatměních. Průlet přes pseudostreamer by se dal přirovnat k letu do oka hurikánu. V pseudostreameru jsou podmínky klidné, částice zpomalené a klesá i počet switchbacků. To je diametrálně odlišné od hustého přívalu částic, s nimiž se sonda obvykle ve slunečním větru setkává.

Graf zobrazující plánovaný průběh mise – ukazuje vzdálenost sondy od Slunce i její rychlost vůči Slunci.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Vůbec poprvé se sonda dostala do oblasti, kde bylo magnetické pole dost silné na to, aby dominantním způsobem ovlivňovalo pohyb částic. Tyto podmínky byly definitivním důkazem, že sonda opravdu překročila Alfvénův kritický povrch a vstoupila do sluneční atmosféry, kde magnetické pole formuje pohyb všeho materiálu. První průlet korónou, který trval jen pár hodin, je pouze jedním z mnoha, které jsou v rámci mise plánovány. Sonda Parker Solar Probe se má i nadále přibližovat ke Slunci až na vzdálenost 8,86 poloměrů Slunce (6,1 milionu kilometrů) od povrchu. Nadcházející průlety (nejbližší proběhne už v lednu 2022) dostanou sondu opět do koróny. „Nemohu se dočkat, co PSP objeví při průletech korónou v dalších letech,“ říká Nicola Fox, ředitelka heliofyzikální divize v centrále NASA a dodává: „Příležitosti pro nové objevy jsou nekonečné.“ Rozměry koróny ovlivňuje také sluneční aktivita. S tím, jak bude Slunce v rámci svého jedenáctiletého cyklu zvyšovat aktivitu, dojde k rozšíření vnější hranice koróny, takže Parker Solar Probe dostane šanci pobývat v koróně po delší dobu. „Je to opravdu velmi důležitá oblast protože si myslíme, že se zde mohou prolnout všechny obory fyziky,“ řekl Kasper a dodává: „Nyní se do této oblasti dostáváme a doufejme, že začneme pozorovat některé z těchto fyzikálních jevů.“

Průlet Parker Solar Probe přes switchback.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Ještě před prvním „načuchnutím“ ke koróně se podařilo učinit zajímavý objev. Při nedávném průletu sonda nasbírala data, která umožnila přesně určit původ výše popsaný switchbacků. Data říkají, že jedním z míst, kde se tyto struktury formují, najdeme na viditelném povrchu Slunce, fotosféře. V době, kdy sluneční vítr doletí k Zemi (ve vzdálenosti zhruba 150 milionů kilometrů), je tvořen směsí částic a magnetických polí. Když však sluneční vítr opouští Slunce, je hezky strukturovaný a jeho složky jsou rozdělené. V polovině 90. let minulého století dokázala americko-evropská sonda Ulysses proletět nad slunečními póly. Objevila přitom v siločárách magnetického pole slunečního větru podivné záhyby ve tvaru písmene S, které naváděly nabité částice opouštějící Slunce do tvaru zig-zag. V dalších letech vědci pracovali s teorií, že tyto občasné změny jsou pouze jakousi zvláštností omezenou pouze na polární oblasti Slunce.

Sonda Parker Solar Probe odhalila, že tzv. switchbacky nejsou ve slunečním větru vůbec vzácné
Zdroj: https://scitechdaily.com/

V roce 2019 ve vzdálenosti 34 slunečních poloměrů sonda PSP odhalila, že tzv. switchbacky nejsou ve slunečním větru vůbec vzácné. Rozjelo se tak nové kolo zájmu o tento jev a vědci si začali klást nové otázky: „Odkud pochází? Vznikly na povrchu Slunce nebo je zformovaly nějaké procesy, které ve sluneční atmosféře ohýbají magnetické pole?“ Nové objevy prezentované v Astrophysical Journal konečně potvrdily, že jedno místo jejich vzniku leží blízko povrchu Slunce. Náznaky se podařilo objevit, až když se sonda PSP při svém šestém průletu kolem Slunce dostala blíže (méně než 25 slunečních poloměrů). Data ukázala, že switchbacky vznikají ve skvrnách a mají vyšší zastoupení helia, o kterém se ví, že pochází z fotosféry. Původ switchbacků byl dále upřesněn, když vědci zjistili, že se zmíněné skvrny shodují s „magnetickými trychtýři“, které vycházejí z fotosféry mezi konvekčními strukturami zvanými supergranule.

Vizualizace supergranulí – světlých pruhů na Slunci.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Kromě toho, že jde o místa, kde vznikají switchbacky, se vědci domnívají, že tyto magnetické nálevky mohou být místem, kde vzniká jedna součást slunečního větru. Ten má totiž dvě různé varianty – rychlou a pomalou. Zmíněné trychtýře by mohly být místem, kde vznikají některé částice rychlého slunečního větru. „Struktura oblastí, kde jsou switchbacky, se shoduje se strukturou malého magnetického trychtýře na základně koróny,“ popisuje Stuart Bale, profesor z Kalifornské univerzity v Berkeley a hlavní autor nového článku o fenoménu switchbacků a dodává: „To je to, co jsme podle některých teorií očekávali. Ukazuje to na zdroj samotného slunečního větru.“

Parker Solar Probe u Slunce
Zdroj: https://img.purch.com

Porozumění tomu, jak a kde vznikají jednotlivé komponenty rychlého slunečního větru (a zda nějak souvisí se switchbacky), by umožnilo vědcům přiblížit se k odpovědi na dlouholetou záhadu: „Jak je možné, že se koróna dokáže ohřát na miliony stupňů, což je mnohem více, než kolik má povrch Slunce?“ Aktuální objev sice ukazuje, kde switchbacky vznikají, ale zatím není známo, jak tento proces probíhá. Jedna teorie naznačuje, že by mohly být tvořeny vlnami převalujícího se plazmatu. Jiní zase přišli s myšlenkou, že za vším je explozivní proces známý jako magnetické přepojení. Dochází k němu na hranicích, kde se k sobě dostanou dva magnetické trychtýře. „Instinkt mi říká, že až se sonda dostane ještě blíže ke Slunci, dozvíme se mnohem více o tom, jak magnetické trychtýře souvisí se switchbacky,“ očekává Bale a dodává: „Doufejme, že se podaří vyřešit otázku, jaký proces je vytváří.“

Parker Solar Probe v čisté místnosti před uzavřením do aerodynamického krytu.
Zdroj: https://scontent.fprg2-1.fna.fbcdn.net

Teď, když vědci vědí, co mají hledat, mohou příští průlety PSP odhalit ještě více indicií nejen o switchbacku, ale i o dalších slunečních fenoménech. Nasbíraná data umožní výzkumníkům nahlédnut do oblasti, která je kriticky důležitá k masivnímu ohřívání koróny a urychlování slunečního větru do nadzvukových rychlostí. Tato měření přímo z koróny budou nezbytná pro porozumění a předpověď extrémních projevů kosmického počasí, které mohou narušit komunikaci, či poškodit družice kolem Země. „Je opravdu úžasné vidět, jak se díky našim pokročilým technologiím podařilo dostat sondu Parker Solar Probe blíže ke Slunci, než jsme kdy byli, nebo že se nám podařilo získat tak úžasné vědecké výsledky,“ říká Joseph Smith, vedoucí programu Parker Solar Probe z ústředí NASA a dodal: „Těšíme se na to, co dalšího mise objeví, až se v příštích letech vydá ještě blíž.“