Solar Orbiter a sledování sluneční koróny z kosmu

Účast na projektu SolO je pro vědce z České republiky mimořádně významným milníkem, neboť je to poprvé, co se mohli aktivně zapojit do velké evropské mise nejen odborně, ale zejména příspěvkem k vývoji a výrobě čtyř z deseti přístrojů sondy SolO. Tento článek se soustředí především na koronograf Metis.

V pondělí 10. února 2020 v 5.03 našeho času úspěšně odstartovala z Kennedyho kosmického střediska na Floridě evropská sonda Solar Orbiter (SolO) a vydala se na svou cestu do blízkosti Slunce. Jde o ambiciózní misi Evropské kosmické agentury ESA, realizovanou ve spolupráci s americkou NASA, která sondu vypustila na raketě Atlas V 411 společnosti ULA (United Launch Alliance), obr. 1, 2. Po stabilizaci na oběžné dráze byl zapnut hlavní motor a sonda byla nasměrována na cestu ke Slunci. Během necelých dvou let dojde díky gravitační asistenci planety Venuše k přiblížení až na 0,28 astronomické jednotky (astronomická jednotka je vzdálenost Země–Slunce). Pro představu je to přibližně stejná vzdálenost, na jaké se nachází planeta Merkur. V porovnání se Zemí je tam až 13krát větší tok slunečního záření. Bylo proto třeba vyvinout speciální dvojitý tepelný štít, kterým jsou přístroje na palubě sondy chráněny a v němž se nacházejí otvory pro teleskopy (obr. 3). Na vnější straně štítu přivrácené k Slunci se očekává teplota až 500 °C, za ním budou přístroje pracovat v přijatelných podmínkách. Teleskopy na palubě SolO budou pozorovat sluneční atmosféru především při největším přiblížení k Slunci, aby bylo využito výhody velkého prostorového rozlišení, zatímco různé detektory budou zapnuty i během celého zhruba půlročního oběhu sondy kolem Slunce. Oběžná dráha sondy je velmi protáhlá a při největším vzdálení od Slunce se bude blížit oběžné dráze Země. Zcela unikátní budou vůbec první pozorování slunečních pólů, jejich morfologické struktury a rozložení magnetického pole – jeden z teleskopů je speciálně určen pro detekci magnetických polí pomocí tzv. spektrální polarimetrie. Zpočátku bude sonda obíhat Slunce ve stejné rovině jako Země (rovina ekliptiky), postupně se bude její dráha k této rovině sklánět, přičemž tento sklon dosáhne až zhruba 30 stupňů. To právě umožní sledovat sluneční póly. Nominální předpokládaná životnost sondy je asi 6 let s pravděpodobným prodloužením o další roky. Hlavní vědecké cíle mise SolO jsou velmi rozmanité podle typu přístroje, ale jednotícím prvkem je komplexní výzkum sluneční atmosféry, kde vzniká sluneční vítr (proud nabitých částic, které letí do prostoru sluneční soustavy) a kde také dochází k velmi energetickým procesům, jež významně ovlivňují heliosféru a často i naši planetu. Mezi tyto procesy řadíme především sluneční erupce a také mohutné výrony koronální hmoty (CME – coronal mass ejections) při destabilizaci magnetických struktur v koróně. Jedním z klíčových cílů je tedy lépe pochopit fungování kosmického počasí, což je právě působení aktivního Slunce na okolní sluneční soustavu, a především na Zemi (viz též Vesmír 91, 492, 2012/9).

Na palubě SolO je celkem deset přístrojů (obr. 4), z toho šest je určeno pro vzdálené monitorování Slunce v různých spektrálních oborech včetně měření magnetického pole na jeho povrchu a zbývající čtyři měří přímo tam, kde se sonda nachází (jde o detektory nabitých částic, elektromagnetických a plazmových vln v prostoru mezi Sluncem a Zemí, tj. v heliosféře).

Noční start rakety Atlas V 411 z Floridy.Snímek ESA-NASA

Raketa Atlas V 411 na startovací rampě Kennedyho kosmického střediska na Floridě. Solar Orbiter je pod krytem na vrcholu rakety.Snímek ESA-NASA

Sluneční koronograf Metis

Vnější atmosféru Slunce (korónu) lze snadno pozorovat během úplných zatmění, kdy Měsíc zakryje celý sluneční disk, a tím odstíní silné záření povrchu Slunce (fotosféry), které je o mnoho řádů intenzivnější než slabá koróna a její jemné struktury. V pozemních podmínkách lze korónu mimo zatmění sledovat jen stěží, částečně je to však možné pomocí speciálního teleskopu, který teprve v roce 1932 zkonstruoval významný francouzský astronom Bernard Lyot. Vlastně tak trochu napodobil úplné sluneční zatmění tím, že do optické dráhy mezi objektiv a okulár umístil clonku, která podobně jako Měsíc zastínila jasný disk Slunce. Postupně byl tento Lyotův koronograf zdokonalován a dnes s ním lze na vysokohorských observatořích pozorovat různé koronální útvary a zejména sluneční protuberance. Ovšem i na těchto speciálních observatořích, které se někdy nazývají koronální stanice (jedna taková je umístěna ve Vysokých Tatrách na Lomnickém štítu v nadmořské výšce 2634 m), lze korónu sledovat jen omezeně, neboť je částečně přezářena rozptýleným slunečním světlem v zemské atmosféře. Dokonalé podmínky úplného zatmění, které ovšem nastává zhruba jen jednou ročně, a to často v hůře dostupných místech naší planety, lze dosáhnout jedině v kosmu. Tam odpadá negativní vliv zemské atmosféry, nicméně je stále nutné použít koronograf, protože silné záření slunečního disku by i tak ovlivnilo sledování slabé koróny v důsledku rozptylu světla v samotném přístroji.

Celkový pohled na sondu SolO po dokončení všech testů a před odesláním na Floridu. Snímek pořídil autor článku ve středisku IABG v Ottobrunnu u Mnichova.Snímek Petr Heinzel

Schéma SolO s vyznačením umístění jednotlivých přístrojů. Každý z těchto přístrojů byl postaven a důkladně otestován příslušným mezinárodním konsorciem, jehož členy jsou i čeští odborníci. Do vývoje a výroby byly zapojeny i některé české průmyslové subjekty.Snímek ESA

Mezi nejvýznamnější kosmické koronografy lze řadit LASCO C2 a C3, umístěné na sluneční a heliosférické observatoři SoHO (Solar and Heliospheric Observatory, projekt ESA- -NASA, viz Vesmír 99, 104, 2020/2 a Vesmír 96, 416, 2017/7), která byla vypuštěna koncem roku 1995 do Langrangeova bodu L1 vzdáleného od Země asi 1,5 milionu km (místo, kde je rovnováha gravitačních sil Slunce a Země). Z tohoto místa lze pozorovat Slunce nepřetržitě. Od roku 2006 také fungují na oběžných drahách kolem Slunce koronografy COR1 a COR2, identické na satelitech STEREO A a STEREO B. V závislosti na vzájemné poloze mohou tyto satelity NASA pořizovat stereoskopické snímky koronálních struktur. Zmíněné koronografy mohou pozorovat korónu v bílém světle (obr. 5), což je optické záření ve viditelném oboru spektra, jaké sledujeme během zatmění. Vzniká kvazikoherentním Thomsonovým rozptylem záření slunečního disku na volných elektronech v koróně a jeho intenzita je přímo úměrná hustotě těchto elektronů. Koronografy měří také lineární polarizaci rozptýleného záření, což napomáhá k určování hustot v koróně. Na SoHO pracoval ještě koronograf UVCS (Ultra-Violet Coronal Spectrometer), který pořizoval spektra koróny ve vybraných emisních čarách. Mezi ně patřila i čára Lyman‑α vodíku, která vzniká rezonančním rozptylem záření stejné čáry emitované sluneční chromosférou na atomech neutrálního vodíku v koróně. Zde se nabízí otázka, jak může v koróně Slunce existovat neutrální vodík při teplotách několik milionů stupňů. Skutečně existuje, ale je to jen velmi malé množství, a proto i koronální čára Lyman-α je velice slabá a pro její detekci je nezbytný citlivý kosmický koronograf. Poznamenejme, že jde o UV záření, které neprojde zemskou atmosférou. Intenzita této vodíkové čáry závisí na hustotě a teplotě koronálního plazmatu, ale také na rychlosti a směru pohybu např. slunečního větru nebo výronů koronální hmoty. Tato závislost se označuje jako dopplerovské ztemnění, kdy v důsledku pohybu plazmatu dochází ke snížení absorpce záření z povrchu Slunce, a to lze využít k určování rychlostí. Tento proces úzce souvisí s vlastním mechanismem koronálního záření v čáře Lyman-α. Analýze čar detekovaných spektrometrem UVCS je věnována rozsáhlá literatura, na studiu výronů koronální hmoty se podíleli i odborníci z Astronomického ústavu AV ČR v Ondřejově. Zkušenosti získané pomocí kosmických koronografů LASCO a UVCS pak vedly k návrhu nového koronografu Metis pro palubu sondy SolO. Metis v sobě spojuje výhody obou předchozích přístrojů a jmenovitě možnost simultánně pozorovat korónu jak v bílém světle, tak i v čáře Lyman-α. Navíc je zde zcela nová možnost pozorování z blízké vzdálenosti od Slunce a pro delší sérii pozorování využít i toho, že při největším přiblížení bude sonda obíhat kolem Slunce se stejnou úhlovou rychlostí, která odpovídá rotaci Slunce. Významné bude i již zmíněné sledování polárních oblastí.

Jedno ze dvou hlavních zrcadel Metisu. Obě zrcadla mají tvar mezikruží a jsou vyrobena ze speciálního, tepelně stabilního skla Zerodur od firmy Schott. M1 má vnitřní průměr 88 mm, vnější 160 mm, v případě M2 je to pak 125 a 216 mm. Zrcadla byla navržena a vyrobena ve výzkumném centru optiky TOPTE C Ústavu fyziky plazmatu AV ČR v Turnově. Splňují normy vysoké optické přesnosti zejména v oblasti UV záření.Snímek archiv TOPTEC

Velký výron koronální hmoty (CME), zachycený satelitem STEREO NASA .Snímek NASA

Původní návrh koronografu Metis obsahoval kromě obou filtrů i možnost detekce spekter jak v čáře Lyman-α neutrálního vodíku, tak i v čáře Lyman-α 30,4 nm ionizovaného helia. To také odráží původní akronym METIS – Multi-Element Telescope for Imaging and Spectroscopy. Z finančních důvodů nakonec nebyl spektrograf realizován a koronograf byl přejmenován na Metis (Métis je podle řecké mytologie bohyně rozumu). Jde tedy o teleskop pro pořizování snímků koróny v bílém světle a v čáře Lyman‑α 121,6 ± 10 nm, není to však spektrograf, jako byl UVCS. To samozřejmě do jisté míry omezuje jeho diagnostické možnosti, které je třeba doplnit o určité teoretické předpoklady. Na tomto problému spolupracujeme s dalšími členy konsorcia Metis, zejména pak s kolegy z italského Turína. Čeští odborníci také nedávno navrhli zcela novou možnost využít spektrální čáru D3 neutrálního helia 587,3 nm, která je obsažena v pásmu propustnosti optického filtru 580–640 nm. Měření polarizace v této čáře by mohlo vést k mapování magnetických polí ve výronech koronální hmoty, což by byl zcela unikátní výsledek. Tato myšlenka je nyní ve stadiu teoretického rozpracování. Co se týče vlastní optické soustavy Metisu, jde o zrcadlový dalekohled Gregoryho typu, jehož jádro tvoří dvě zrcadla M1 a M2 (obr. 6). Pokovení proběhlo v Itálii speciální vrstvou MgF₂/Al. Optické schéma Metisu je vidět na obr. 8, kde zcela vpředu je tzv. inverzní externí zástin, omezující silné záření slunečního disku. Po průchodu celou optickou soustavou se nakonec pomocí dichroického elementu světelný svazek rozdělí tak, že čára Lyman-α projde dál směrem do UV detektoru a optické (VL)záření v rozsahu 580–640 nm se odrazí do boku a je dále analyzováno polarimetrem z tekutých krystalů, což je v kosmu použito vůbec poprvé. Výsledné obrazy v čáře Lyman-α a v optickém oboru (včetně polarizace) jsou pak snímány speciálními detektory APS a ukládány v paměti. V důsledku omezené telemetrie SolO je však jejich vyslání na Zemi značně opožděno, takže si na ně budeme muset počkat vždy až do následujícího oběhu sondy kolem Slunce. Koronograf Metis během laboratorních testů je vidět na obr. 7.

Optické schéma koronografu Metis.Snímek konsorcium Metis

Metis na optické lavici při testech během vývoje.Snímek konsorcium Metis

Metis je schopen zobrazovat viditelné a zároveň ultrafialové záření sluneční koróny a zachytit s velkým časovým a prostorovým rozlišením strukturu a dynamiku koróny v rozsahu 1,7–3,1 slunečního poloměru (měřeno od středu slunečního disku) v případě největšího přiblížení sondy ke Slunci nebo 2,8–5,5 poloměru při vzdálenosti 0,5 astronomické jednotky. Studium dynamických jevů v rozsáhlé koróně je jedním z nejdůležitějších cílů mise Solar Orbiter. Mezi hlavní vědecké otázky patří původ a urychlení pomalých i rychlých proudů slunečního větru, původ, zrychlení a transport energetických částic ve sluneční atmosféře a výronech koronální hmoty. Metis může také přispět ke studiu vlastností a vývoje komet obíhajících kolem Slunce, podobně jako tomu bylo již v případě jiných kosmických koronografů jako LASCO na sondě SoHO. Bude také schopný analyzovat vlastnosti koronálních oblastí, kterými prolétne americká sonda Parker Solar Probe během svého průchodu v blízkosti Slunce. Pro maximalizaci vědeckého přínosu v každé fázi mise je měření Metisu koordinováno s ostatními přístroji sondy SolO. Více podrobností o tomto kosmickém koronografu lze získat na stránkách konsorcia Metis (metis.oato. inaf.it). V rámci tohoto konsorcia se Astronomický ústav AV ČR zaměřuje především na studium eruptivních protuberancí a výronů koronální hmoty. Např. byly vyvinuty numerické kódy pro diagnostiku plazmatu, kde vstupem budou spektrální obrazy výronů koronální hmoty v časovém sledu vývoje v obou kanálech Metisu. Metodika byla vyvinuta na základě původních pozorování koronografy UVCS a LASCO na sondě SoHO, významnou novinkou v případě Metisu je pak dokonale simultánní detekce v obou kanálech.

V současné době probíhá postupné zapínání a testování jednotlivých přístrojů na palubě SolO, které potrvá několik měsíců (kvůli pandemii covid-19 je zde určité zpoždění). Metis byl poprvé zapnut v posledním únorovém týdnu, kdy byli někteří členové konsorcia přítomni v centru ESOC-ESA v německém Darmstadtu. Dne 13. března byl pak odhozen ochranný kryt teleskopu a byly získány prvé testovací snímky v optickém oboru. Další testy budou následovat, avšak vlastní vědecká pozorování budou probíhat až při prvém přiblížení k Slunci koncem roku 2021.