Szenzációs felfedezéseket tett a NASA rekorder napszondája, a Parker Solar Probe

Dinamikusan változó és gyorsabban forgó napszél, a mágneses tér hirtelen irányváltásai, a pormentes zóna megtalálása, az egyik napszéltípus kialakulási helyének azonosítása, egy kisebb koronakitörés megfigyelése - többek között ezek a NASA Parker Solar Probe (PSP) napkutató űrszondájának első felfedezései.

Az űrszonda első rekordokat döntő Nap-közeli elhaladása után néhány hónappal közöltünk részletes cikket a küldetés céljairól és korai eredményeiről. A technikai bravúrral felérő szonda azóta még kétszer megközelítette a Napot - mindössze a Föld-Nap átlagos távolságának 17 százalékára, értékes tudományos adatokat gyűjtve közben. Ez a közelség példátlan betekintést enged a Nap és általánosabban nézve a csillagok legfontosabb folyamataiba.

A NASA Solar Dynamics Observatory (SDO) napkutató műholdjának december 5-ei felvétele, amelyen nagyobb Nap-aktivitás esetén jól kivehetők a koronahurkok. A felvétel 171 ångström hullámhosszon készült.Fotó: NASA/SDO

A hozzánk legközelebbi csillag jobb megértése nemcsak alapkutatási szempontból fontos, hanem mindannyiunk életére is hatásssal van. A Nap által kibocsátott töltött részecskékből létrejövő napszél, valamint a korona- anyagkidobódások (Coronal Mass Ejection, CME) ugyanis az űridőjárás generátoraként potenciális veszélyforrást jelent technikai civilizációnk több fontos elemére. Megzavarhatja például a navigációra, kommunikációra és időjárás-előrejelzésre használt műholdakat, veszélyeztetheti a világűrben tartózkodó űrhajósokat, és extrém esetben károsíthatja az elektromos hálózatot is.

Szerdán a Nature-ben négy tanulmány jelent meg, amelyek a Parker Solar Probe által gyűjtött kezdeti adatokat ismertetik. Az eredmények meglepő információkkal szolgálnak a Napot elhagyó töltött részecskék, azaz a napszél viselkedéséről. A napszél plazmája felelős a helioszféra-buborék létrehozásáért is. Ezt a Nap körüli buborékot hagyták el az elmúlt néhány évben a Voyager-1 és Voyager-2 űrszondák a Naprendszerből kifele vezető útjukon, kilépve a csillagközi térbe. A Parker Solar Probe ezen kívül bizonyítékokat talált egy Nap körüli, régóta feltételezett „pormentes övezet" létezésére, valamint egy korona- anyagkidobódást is megfigyelt.

A NASA azt reméli, hogy az űrszonda által a következő években gyűjtött mérések alapján sokat fejlődnek majd az űridőjárást, így a napszél és a korona- anyagkidobódások viselkedését előrejelző modellek, segítve a műholdak és űrhajósok védelmét, ami egyre fontosabb lesz, ahogy az emberiség távolabb merészkedik a Földtől.

„Rengeteget tanultunk a csillagunkról az elmúlt pár évtizedben, de nagyon szükségünk volt már egy a Parker Solar Probe-hoz hasonló küldetésre, amely közvetlenül a Nap légkörébe jut be. Csak ott tudjuk megvizsgálni a Napban zajló bonyolult folyamatok megértését. Mindez, amit az eddigi három Nap-közelítés során tanultunk, máris sok mindent megváltoztatott arról, amit eddig a Napról tudtunk"

- nyilatkozta Nour E. Raouafi, a Johns Hopkins Egyetem alkalmazott fizikai laboratóriumában (APL) dolgozó szakember, a Parker Solar Probe küldetés tudományos vezetője.

A Parker Solar Probe-ot az amerikai űrhivatal, a NASA 2018. augusztus 12-én indította a Földről. Az első Vénusz melletti elhaladás után - ezek az elhaladások juttatják majd egyre közelebb a Parkert a Naphoz - a szonda októberben megdöntötte a valaha volt leggyorsabb űreszköz sebességrekordját, majd a Naphoz legközelebb érő űreszközét is. A speciális szén-szén kompozit hővédő pajzzsal szerelt szonda 2018. november 5-én 24.8 millió kilométerre közelítette meg központi csillagunkat. 11 nappal később tudatta az irányítókkal, hogy átesett a tűzkeresztségen, és készen áll az adatok továbbítására.

A második Nap-közelítésre áprilisban, a harmadikra pedig szeptember elején került sor, mindkét esetben 24,8 millió kilométeres távolságban. A Parker az első két alkalommal, illetve a későbbi kommunikációs periódusok során is  annyira jól teljesített, hogy a harmadik megközelítésen jóval tovább gyűjtöttek adatokat a műszerei. Az űrszonda 2024 decemberében éri el a legközelebb a Naphoz, amikor közel 9 Nap-sugárra, vagy 6,9 millió kilométerre lesz a csillagtól, példátlan betekintést nyújtva a Nap folyamataiba.

A napszél dinamikusabban változik és bonyolultabb, mint eddig gondoltuk

Az első tanulmány a Parker Solar Probe 36 és 53 Nap-sugár távolságban végzett, napszelet érintő megfigyeléseit összegzi. A mérések alapján a kutatóknak sikerült a lassú napszél kialakulását egy az egyenlítőhöz közeli, apró koronalyukhoz kötniük, a mágneses teret érintő méréseik pedig feltárták, hogy a tér szakaszos, hirtelen irányváltásokat mutat.

A Napot elhagyó anyag a Parker Solar Probe WISPR műszerének 2018 novemberi felvételénFotó: NASA/NRL/APL

A Föld közelében, közel 150 millió kilométerre a Naptól a napszél egyenletes plazmaáramlásként viselkedik, és gyenge turbulenciákat mutat. A Parker Solar Probe 24,8 millió kilométerről azonban teljesen mást látott. Ilyen közelségben a napszél sokkal összetettebb, aktívabb, instabilabb rendszert alkot. A szonda FIELDS műszerének feladata a napszél elektromos és mágneses mezejében tapasztalt változások, valamint a plazmában létrejövő hullámok vizsgálata. Mivel a plazma különálló töltött részecskékből (elektronokból és pozitív töltésű ionokból) áll, így elektromos és mágneses teret szállít magával. A plazma változásai pedig nyomot hagynak ezeken a tereken is, és a FIELDS mindezt képes detektálni.

második tanulmányban a kutatók a napszélplazma megfigyeléseit ismertetik, 35 Nap-sugár távolságból. Az összegyűjtött adatok alapján olyan „Alfvén-hullámokra" bukkantak, amelyek akár több percig tartó sebesség-kiugrási eseményekbe tömörülnek, és a mágneses tér erővonalainak S-alakú elgörbülésével függenek össze 

A FIELDS mérései olyan, a napszélt turbulensebbé tevő jelenségeket érzékeltek, mint a mágneses mező hirtelen megfordulásai, valamint váratlan, „elszabadult hullámokkal" utazó, az átlagos napszélhez képest kétszer gyorsabban haladó anyagkilövellések. A kutatók szerint az egyik legfontosabb megfigyelés a napszél kapcsán a mágneses tér irányának hirtelen változásai jelentik. A szakemberek által hullámvasútnak (switchback) elnevezett irányváltások néhány másodperctől pár percig tartanak, ahogy a plazma elhalad az űrszonda mellett, és ilyenkor a mágneses tér visszafordul, szinte közvetlenül a Nap irányába. A FIELDS és a SWEAP napszelet vizsgáló műszerek több mint ezer ilyen hullámvasút-eseményt figyeltek meg az első két Nap-közeli elhaladás során.

A mágneses tér hullámvasút-formációi.Illusztráció: NASA/Goddard/CIL

A hullámvasút-események kiváltó oka egyelőre nem teljesen világos, de a PSP mérései máris lehetővé tették, hogy leszűkítsék a lehetőségeket. Az eddigi adatok arra utalnak, hogy a hullámvasutak a mágneses tér helyi zavarai, amelyek a Napból való távozás után jönnek létre.

Emellett a napszél plazmájában létrejövő hullámok vizsgálata parányi instabilitásokat fedett fel a napszélben áramló elektronok és pozitív töltésű ionok sebességében. Ezek a plazma felforrósításával állhatnak kapcsolatban, arra utalva, hogy létezik egy mechanizmus, amely energizálja a napszelet,  amiben szerepet játszanak ezek a mikro-instabilitások.

Hol áll meg a napszél forgása?

A Parker Solar Probe vizsgálatai növekvő forgási sebességet találtak a napszél áramlási sebességében, ami 35-50 kilométer/másodperc körüli értékben éri el a maximumát. Ezek sebessége jóval felülmúlja a jelenlegi modellek előrejelzéseit, amelyek néhány kilométer/másodpercben állapították meg ezt az értéket. Mindez kihívás elé állítja a napkoronában zajló forgási folyamatok modelljeit, de ami talán a legfontosabb, kétségbe vonja az ismereteinket arról, hogy miként veszítenek a csillagok forgási sebességükből, és lassulnak le öregedésük során – mivel az erősebb napszélnek így több energiát kell elvonnia a csillagtól a korábban feltételezettnél.

Emiatt lehetséges, hogy a Nap forgási sebessége valamennyivel gyorsabban csökken a korábban vártnál, így hozzá kell nyúlni a csillagok fejlődési ciklusát leíró modellekhez. Ugyanakkor fontos hangsúlyozni, hogy szerencsére ez nem jelenti azt, hogy a Nap a vártnál korábban fogja elérni életciklusának végét. 

A napszél vizsgálatának egy ehhez kapcsolódó aspektusa a plazma haladási irányát érinti. A Földhöz közel a napszelet úgy látjuk, mintha közvetlenül a Napból kifele haladna, minden irányba. De a Nap forog a tengelye körül, így kezdetben a napszélnek a Nappal együtt kell forognia. Ezért kell lennie egy olyan pontnak is a Nap és a Föld között, ahol ez az átmenet lezajlik. Annak kiderítése, hogy hol történik ez az átmenet a napszélben, fontos annak megállapításához, hogyan távozik az energia a Napból és általában a csillagokból. 

A Parker Solar Probe jóvoltából most először lehetőség nyílt a még a Nap forgását követő napszél megfigyelésére. Az átmeneti pontot a csillagunktól 32 millió kilométeres távolság körül találta meg; onnan kezdve a szonda legnagyobb Nap-közelségéig a napszél forgási sebessége folyamatosan növekedett. Érdekes még, hogy az átmenet a Naptól kifele haladó, a csillag forgását nem követő áramlásba gyorsabban következik be, mint azt korábban gondolták.

Több a por a vártnál, de látják már a pormentes zóna jeleit

harmadik tanulmány a napkoronáról a szonda által az első két megközelítés során készített felvételeket ismerteti. Az eddig elért távolságokból a kép hasonló a korábbi földi és világűrbeli megfigyelésekhez, de lényeges eltéréseket is találtak a kutatók. Alacsony betekintési szögek esetén csökkenést tapasztaltak az F-korona intenzitásában, ami egy régóta keresett pormenetes övezetre utalhat a Nap környezetében.

Emellett a WISPR képalkotó kísérletnek sikerült feltárnia apró és gyakori korona-anyagkidobódások plazmastruktúrájának apró részleteit. Ezek a mérések alapján két formát ölthetnek: egyrészt a gyakran megfigyelt mágneses „fluxkötelekét", vagy a korábban sejtett, de eddig nem megfigyelt mágneses szigetekét, amelyek a mágneses tér instabilitásaiból jönnek létre. 

A PSP koronakiáramlások (streamerek)  kialakulását érintő megfigyelései megerősítik a Napkorona szerkezetére vonatkozó jelenlegi modelleket. Igazolják azokat a nemrég tett előrejelzéseket is, hogy ezek még apróbb kiáramlások összegeként jönnek létre.

Egy másik fontos eredmény a régóta sejtett pormentes zónára utaló jelek megtalálása volt. A Naprendszert a keletkezése óta por tölti ki, amely a bolygók, törpebolygók, kisbolygók, üstökösök és még kisebb égitestek ütközéseinek következtében jött létre. A kutatók jó ideje sejtik, hogy a Naphoz közel ezt a port a napfény gázzá hevíti, és egy pormentes régiót hoz létre a csillag körül, de eddig ezt a régiót nem sikerült megfigyelni.

Most azonban a WISPR igazolta a por Naphoz közeledve történő megfogyatkozását. Az adatok arra utalnak, hogy 11,2 millió kilométer távolságban kezd el a pormennyiség fokozatosan csökkenni, és a műszer által eddig belátható, 6.4 millió kilométeres távolságig folyamatos fogyatkozást mutat. A kutatók ennek alapján a Naptól 3,2-4,8 millió kilométer távolságba várják a „pormentes zónát", amelyet kis szerencsével a Parker Solar Probe WISPR műszere már jövőre megfigyelhet, a hatodik Naphoz közeli elhaladása során.

A „pormentes zónán" kívül azonban több porral találkozott a vártnál a szonda, és ennek lett is egy sajnálatos, de a küldetést vagy a szonda tudományos munkáját nem veszélyeztető következménye. A második megközelítés során az ISʘIS-kísérlet alacsony energiájú detektora, az Epi-Lo kis sérülést szenvedett:  80 apró teleszkópjából, amelyek különböző irányokba néznek, az egyiket kiütötte egy porszemcse, amikor a szonda a legközelebb járt a Naphoz.

Javulhat az űridőjárás-előrejelzés

negyedik tanulmány a Naphoz közeli nagy energiájú részecskék által létrehozott sugárzási környezettel foglalkozik, a szonda első két Nap-megközelítése alatt gyűjtött adatok alapján. Ezekben többfajta nagy energiájú részecskeeseményt azonosítottak a kutatók. A részecskéket ezekben helyi, vagy távoli hatások gyorsították fel, egy esetben pedig a kutatók egy korona anyagkidobódás (CME) hatásait detektálták.

A Napon zajló aktivitás képes ionokat és elektronokat felgyorsítani, nagy energiájú részecskéket küldve közel fénysebességgel a Naprendszerbe. Ezek nagyjából fél óra alatt érik el a Földet, és magas energiaszintjük miatt könnyen kárt tehetnek az űreszközök elektromos rendszereiben, vagy űrhajósokat veszélyeztethetnek, főleg ha azok a Földtől távol, például egy Mars-expedíció keretében utaznak. Ilyen kitörések esetén a NASA-NOAA ( Nemzeti Óceán- és Légkörkutatási Hivatal), egy a Föld és a Nap közötti, lényegében fix gravitációs pontban (Lagrange-1) szolgáló ACE és DSCOVR-űrszondái pár perces figyelmeztetést képesek adni. Ez éppen elég időt hagy arra, hogy űrhajósok az űrhajó vagy űrállomás jobban árnyékolt részeire húzódjanak.

Fontos a kutatók számára annak a megértése is, hogy ezek a részecskék hogy gyorsulnak fel ilyen nagy sebességekre. Erre azonban a Földről nincs lehetőség, mert ekkorra a részecskék elveszítik az eredetükre utaló jeleket; a Parker azonban szinte azután találkozik velük, ahogy elhagyják a Napot.

Az ISʘIS-kísérlet már több nagy energiájú részecske eseményt megfigyelt, amelyek azonban nagyon gyengék voltak ahhoz, hogy a Földhöz közeli műholdak detektálják őket. A műszer egy olyan, ritkább részecskekitörés-típust is megfigyelt, amely nagy mennyiségben tartalmaz nehezebb elemeket. Ezek összességében arra utalnak, hogy a részecskekitörések sokkal gyakoribbak lehetnek az eddig gondoltnál, csak eddig nem jutottak el jeleik a napkutató szondákhoz.

A Parker Solar Probe ISOIS műszere által megfigyelt egyik nagy energiájú részecske kitörés, amely veszélyeztetheti a műholdak működését és űrhajósok egészségétIllusztráció: NASA/Princeton

A WISPR képalkotó is kivette a részét a megfigyelésekből, konkrétan egy korona-anyagkidobódás detektálásával. Ezek az anyagkidobódások a Földön és más bolygókon sarki fényt hozhatnak létre, de rossz esetben károsíthatják a modern civilizációnkhoz szükséges műholdakat, vagy akár az elektromos távvezetékeket is. A WISPR és tágabban nézve a Parker Solar Probe megfigyelései segítenek majd megérteni kialakulásukat. Ez pedig pontosabb előrejelzéshez vezethet a kidobódások naprendszerbeli útjára vonatkozóan, azaz annak megállapításához, hogy a Föld vagy egy adott űrhajó éppen veszélyben van-e.

2024-ben a szonda szinte megérinti a Napot

Az első két Nap-közelség alapján a szakemberek azt várják, hogy a hullámvasutaknak elnevezett, a napszélben a mágneses tér irányváltásait takaró jelenségből egyre többet fog látni a szonda, ahogy közelebb merészkedik a Naphoz.

A következő ilyen alkalomra – a szonda negyedik Naphoz közeli elhaladására – 2020. január 29-én kerül sor, a Naptól 14,9 millió kilométer távolságban. Az űrszonda pályáját a Vénusz melletti elrepülések minden alkalommal módosítják, a Parkert fokozatosan közelebb irányítva a csillaghoz pályájának egy részén. A második alkalomra a hónap végén, december 22-én kerül sor.

Fantáziarajz a Parker Solar Probe űrszondáról Nap-megközelítés közbenIllusztráció: NASA

A Vénusz melletti összesen hét elhaladás 2024 végéig elegendően módosítja ahhoz a szonda pályáját, hogy az szinte felfoghatatlanul közel, mindössze 6.9 millió kilométerre közelítse meg a Napot. Ez a Föld-Nap átlagos távolságának mindössze 4,6 százaléka.

Az űrszonda által gyűjtött adatoktól azt várja a NASA, hogy segítenek majd tisztázni a Napra és általában a csillagok működésére vonatkozó nagyobb fennmaradó kérdéseket, illetve azt, hogy mindez precízebb űridőjárás- előrejelzéshez vezethet.

A Parker Solar Probe kezdeti eredményeit közlő tanulmányok:

  • Bale, S.D., Badman, S.T., Bonnell, J.W. et al. Highly structured slow solar wind emerging from an equatorial coronal hole. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1818-7
  • Kasper, J.C., Bale, S.D., Belcher, J.W. et al. Alfvénic velocity spikes and rotational flows in the near-Sun solar wind. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1813-z
  • Howard, R.A., Vourlidas, A., Bothmer, V. et al. Near-Sun observations of an F-corona decrease and K-corona fine structure. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1807-x
  • McComas, D.J., Christian, E.R., Cohen, C.M.S. et al. Probing the energetic particle environment near the Sun. Nature (2019) doi:10.1038/s41586-019-1811-1

A címlapi animáción az űrszonda által felfedezett irányváltások láthatók a napszélhez kapcsolódó mágneses térben. Forrás:  NASA's Goddard Space Flight Center/Conceptual Image Lab/Adriana Manrique Gutierrez