Tavaly novemberben az emberiségnek először nyílt lehetősége egy csillag közeli vizsgálatára. Az amerikai űrhivatal, a NASA Parker Solar Probe űrszondája kevesebb mint három hónappal indítását követően a Naphoz valaha legközelebb jutó ember alkotta eszköz lett. Ahogy arról a Qubit-en már beszámoltunk, a 2018. augusztus 12-én indított szonda fő célja a napkorona és a napszél minden korábbinál közelebbi vizsgálata. A Nap folyamatainak pontosabb megértése kulcsfontosságú a technológiai civilizációnkat potenciálisan veszélyeztető koronakitörések előrejelzéséhez is.

A Parker Solar Probe három fontos kérdésre ad majd választ a Nappal kapcsolatban:

• Miért 300-szor forróbb a Nap külső légköre, a napkorona, mint a Nap felszíne?
• Hogyan gyorsul fel hirtelen a napszél a megfigyelt óriási sebességekre?
• Végül, hogyan lehetséges, hogy a legnagyobb energiájú részecskék a fénysebesség több mint felével távoznak a Napból?

A Nap első megközelítésekor, 2018 októberében a szonda a valaha leggyorsabb és a Naphoz legközelebb érő ember által alkotott eszköz lett. Első legnagyobb közelsége során mindössze 24.8 millió kilométerre volt a Naptól, ami a 149,6 millió kilométeres Föld-Nap közepes távolság 17 százaléka.

A napkorona és a napszél viselkedését úttörő, 1958-as tanulmányában megjósoló Eugene Parker asztrofizikusról elnevezett űrszonda 7 éves küldetése során összesen 24 Nap melletti elhaladást végez majd el, fokozatosan egyre közelebb jutva központi csillagunkhoz. Legközelebb április 4-én közelíti meg a Napot, a novemberi elhaladással szinte megegyező távolságban. Az Amerikai Geofizikai Unió (AGU) decemberi konferenciáján a Parker Solar Probe-on dolgozó kutatók bemutatták a szonda első megfigyeléseit és felvételeit. Az első publikált tudományos eredmények valószínűleg az év második felében várhatók.

Hővédő pajzs, vizes hűtés, részecskedetektorok

A Johns Hopkins Egyetem Applied Physics Laboratory (APL) kutatóintézete által épített és üzemeltetett, eredetileg Solar Probe Plus néven futó űrszonda tervezésekor a mérnököknek a Naphoz közeli szélsőséges környezetet nem csak átvészelő, de abban tudományos méréseket is végezni képes űreszközt kellett tervezniük.

A küldetés megvalósulását egy 11 cm vastag szén-szén kompozit hővédő pajzs tette lehetővé, amely a legnagyobb közelség idején 1377 celsius fokos hőmérséklettől óvja majd a szonda létfontosságú berendezéseit és tudományos műszereit. Ekkor a szondát érő napsugárzás intenzitása 475-szöröse lesz a Föld körüli pályán tapasztaltnak. Az űrszondának emellett nagy fokú autonómiával kell rendelkeznie, hogy hővédő pajzsa mindig megfelelő szögben legyen a Naphoz képest, amikor megközelíti az égitestet. Az energiaellátást két napelemtábla rendszer biztosítja, egy vízhűtéses, a Nap megközelítése során használt, és egy másik, ami több energiát képes előállítani, més amelyet pályájának Naptól távoli részein alkalmaz majd a szonda. Különleges hővédő pajzsa, nagyfokú autonómiája és hűtési rendszerei miatt a Popular Science magazin 2018 legnagyobb innovációjának nevezte a Parker Solar Probe-ot.

Az űrszonda négy fő tudományos műszerét a napkorona és a napszél vizsgálatára optimalizálták:

• Elektromágneses tér kísérlet (FIELDS): az elektromos, mágneses teret, plazmakörnyezetet és rádióhullámokat vizsgáló műszer legfontosabb feladata a napkorona hevüléséért felelős folyamatok vizsgálata. A napkutatás egyik fő rejtélye, hogy pontosan milyen fizikai folyamatok felelősek a korona közel 1 millió Celsius-fokra való hevítéséért, miközben a Nap felszíne mindössze közel 5500 Celsius-fokos.
• Integrált tudományos napkutató berendezés (ISOIS): a napszél energetikus részecskéinek (protonok, elektronok és nehézionok) gyorsulását vizsgáló műszer, amely megállapítja majd, hogyan gyorsulnak fel ezek a Napot elhagyó részecskék, és milyen hatása van erre a koronakitöréseknek (CME).
• A széles látószögű kamera (WISPR) fő feladata a napszél és annak változásának vizsgálata, ahogy a szonda egyre közelebb ér a Naphoz.
• Napszél, elektronok, alfa-részecskék és protonok kísérlet (SWEAP): az elektronok, protonok és héliumionok számát, valamint sebességüket, sűrűségüket és hőmérsékletüket vizsgáló műszeregység. Egyik komponense, a Solar Probe pohár – ami nem más, mint egy töltött részecskéket összegyűjtő Faraday-pohár – a hőpajzson kívül helyezkedik el, így az egész küldetés során ki lesz téve a Nap extrém környezetének. Fő feladata a napszél tulajdonságainak pontos mérése, hogy az elektromos teret vizsgáló műszerekkel együtt megállapítsa a korona felhevülését és a napszél felgyorsulását okozó folyamatokat.

Ahhoz, hogy a szonda közel tudjon kerülni a Naphoz, veszítenie kell a sebességéből. Ehhez küldetése során még további hat Vénusz melletti hintamanővert fog végrehajtani, hogy végül 2024 decemberében, 6.16 millió kilométerre, azaz nagyjából 9 Nap-sugár közelségben repüljön el a Nap mellett.

Az eddigi eredmények

A Parker Solar Probe 2018. november 5-én, magyar idő szerint 16:28-kor ért eddig legközelebb a Naphoz, mindössze 24.8 millió kilométerre, vagy 35 Nap-sugárra megközelítve azt. Ekkor a szonda hővédő pajzsa 437 fokos hőnek volt kitéve. Az első megközelítés során minden rendben működött, amit a szonda két nappal később jelzett is az irányítóknak. November 16-án ismét bejelentkezett az űreszköz, és tudatta a földi irányítókkal, hogy mind a négy műszeregysége jelentős mennyiségű adatot gyűjtött. Ezeknek a letöltése a szonda szilárdtest meghajtóiról december 7-én kezdődött meg.

„A heliofizikusok 60 éve várnak egy ilyen küldetésre. A Nap titkainak kulcsa a Nap koronában vár minket.”

- mondta Nicola Fox, az amerikai űrügynökség, a NASA heliofizikai részlegének vezetője (a heliofizika a Nap és a napszél által létrehozott befolyási övezetének, a helioszférának a vizsgálatával foglalkozó tudományág).

A küldetésen dolgozó szakemberek a december 12-i, minden évben megrendezett AGU-konferencián ismertették kezdeti eredményeiket. Elmondták, hogy az első megközelítés során sikeresnek bizonyult a tudományos adatok begyűjtése, és az első mérések eredményei december 7-én vissza is értek a Földre. A Parker Solar Probe Földhöz viszonyított helyzetéből adódóan azonban a tudományos adatok egy része csak az áprilisi, második megközelítés után kerül majd a kutatók kezébe.

A Parker Solar Probe a Nap első megközelítésekor készített, 2018. november 8-i felvételén sisakszerű képződmények („helmet streamer" vagy „coronal streamer") láthatók a Nap keleti féltekéje felett. Ezek a napkoronában keletkező struktúrák általában a Nap aktívabb régiói felett találhatók. Az űrszonda felvételén kivehető a képződmények finom struktúrája, és legalább két kiáramlássugár is látható rajta. A felvétel elkészültekor a szonda közel 27 millió kilométerre volt a Naptól.

„A Parker Solar Probe olyan méréseket végez majd, amelyek kulcsfontosságúak az évtizedek óta fennálló napfizikai rejtélyek megértéséhez. Ahhoz, hogy ezeket megoldjuk, a napkorona és a kezdeti napszél helyi vizsgálatára van szükség, és a Parker Solar Probe pontosan ezt csinálja. Nem tudjuk, hogy mi vár ránk a Naphoz közel, amíg meg nem kapjuk az adatokat. Valószínűleg látunk majd új jelenségeket.”

- mondta Nour Raouafi, a Parker Solar Probe küldetés tudományos vezetője.

Modellek segítségével jól tesztelhetők a nap fizikai folyamataira vonatkozó elméletek. Egy olyan szimuláció létrehozásával, amely a korona hevülésért egy bizonyos mechanizmust, például az Alfvén plazma hullámokat teszi felelőssé, a kutatók össze tudják hasonlítani a modell predikcióit a Parker Solar Probe által gyűjtött valós adatokkal, és meg tudják állapítani, hogy azok egyeznek-e. Ha igen, az arra utalhat, hogy a kutatók jó nyomon járnak, és valószínűleg megtalálták a folyamatért felelős fizikai jelenséget.

Az űrszonda többek között példátlan sebességéből adódóan is különleges helyzetben van ahhoz, hogy adataival javítsa ezeket a modelleket. A Nap Földről nézve látszólagos forgási periódusa 28 nap, aminek az a következménye, hogy az aktív régiók időbeni változása összemosódik azok térbeli mozgásával. A Parker Solar Probe legyőzi ezt a problémát azzal, hogy pályájának bizonyos részein elég gyorsan halad, hogy megközelítse a Nap forgási sebességét. Így rövid ideig a csillag egy adott pontja felett helyezkedik majd el, amikor is a kutatók szinte biztosra vehetik, hogy az adatokban megfigyelt változásokért a folyamatok időbeli, valós alakulása felelős, és nem a Nap forgása.

A Parker helye a NASA Napkutató flottájában

A Parker Solar Probe a NASA napkutató flottájának legújabb tagja a Solar Dynamics Observatory (SDO) műhold, a több mint 23 éve működő SOHO-űrszonda, a 21 éve üzemelő ACE napkutató szonda, vagy a Nemzeti Óceán és Légkörkutató Hivatal, a NOAA által működtetett DSCOVR űrszonda mellett. A SOHO, az ACE és a DSCOVR annyiban különlegesek, hogy a Nap és Föld közötti Lagrange-1-es, dinamikailag stabil pontból monitorozzák a napszelet, és előre figyelmeztetnek a Föld felé tartó koronakidobódásokra.

A legfontosabb szerepet a Nap körül keringő, jelenleg a Földdel majdnem átellenes pozícióban lévő STEREO-A űrszonda játszhatja majd a Parker Solar Probe-al összehangolt tudományos megfigyelésekben. A STEREO-A-t és párját, az azóta elvesztett STEREO-B-t 2006-ban indították, hogy segítségükkel közel három dimenzióban, különböző pontokból vizsgálják a Napot, és sztereó megfigyeléseket végezhessenek a koronakitörésekről.

A Parker Solar Probe által vizsgált napkoronában lejátszódó folyamatoknak messzemenő hatásai vannak. A napszél az egész belső Naprendszert beteríti, és egy helioszférának nevezett buborékot hoz létre, amely jóval túlnyúlik a Neptunusz pályáján is. A Voyager-2 űrszonda nemrég ebből a „napszélbuborékból” lépett ki a csillagközi térbe. A Nap anyagának nagyobb kiáramlásai, amelyeket koronakitörésnek (Coronal Mass Ejection, CME) neveznek, a Föld mágneses terével érintkezve geomágneses viharokat válthatnak ki. Ezek erősségüktől függően alacsonyabb szélességeken megfigyelhető sarki fényt, rádiós kommunikációs problémákat vagy akár komoly károkat is okozhatnak az áramhálózatban és a Föld-körüli pályán keringő műholdakban, veszélyeztetve technológiai civilizációnk alapjait.