Az Európai Űrügynökség (ESA) Proba-3 küldetése a Nap titokzatos koronáját és a Föld sugárzási környezetét is egészen új módon fogja megfigyelni. A műholdpáros egymástól 150 méteres távolságra, erősen elnyúlt pályán keringve alkalmanként 6 órán át mesterséges napfogyatkozást idézve elő a Nap nehezen megfigyelhető halvány légkörét, a koronát fogja megfigyelni. A Proba-3 (Project for On-Board Autonomy 3) egyben egy technológiai demonstrációs kísérlet is, mert nem volt még példa ilyen milliméteres pontosságra, amivel a műholdpár egymáshoz igazodik majd az űrben. Tudományos céljai közt számos kérdés szerepel, ezek közül tekintsük át az öt legjelentősebbet!

1. Miért annyival forróbb a korona, mint a Nap maga?

Azt mindannyian tudjuk, hogy a Napunk forró, de annak még nem tudjuk a pontos magyarázatát, hogy a Nap külső légkörében levő anyag hogyan ér el akár millió fokos hőmérsékleteket. Az alatta levő látható régió, a fotoszféra hőmérséklete ,,csak” 4500 – 6000 °C körüli. A fotoszféra nem egy valós felszín, hanem a Napnak egy olyan rétege, ahonnan a látható fény ki tud lépni. A Nap sűrű belsejében kibocsátott fotonok szinte rögtön elnyelődnek, így hosszú ideig tart, mire sokszor újból elnyelődve és újból kibocsátódva ki tudnak szökni a csillagunkból. A korona kevésbé sűrű és távolabb is van a Nap magjától, ezért arra számíthatnánk, hogy a hőmérséklet is alacsonyabb – ennek ellenére valójában közel kétszázszor forróbb!

A Proba-3 minden eddigi koronográfnál közelebb merészkedik a Nap felszínéhez, hogy a koronát részletesen megvizsgálja. Az egyik műhold kitakarja a Nap közvetlen fényét, így a másik alig 70 000 km-rel a felszín felett meg tudja majd figyelni a koronából érkező gyenge fényt. A koronográf, amivel mesterséges ,,napfogyatkozást” lehet előállítani, a Proba-3 fő tudományos műszere (ASPIICS – Association of Spacecraft for Polarimetric and Imaging Investigation of the Corona of the Sun).

Az ASPIICS többek között a koronában levő hurkokon és plazmabuborékokon áthaladó hullámok után fog kutatni, mert az ilyen típusú mozgás magyarázhatná az ott tapasztalható magas hőmérsékleteket. A koronográffal észlelhetővé válnak ezek az apró gyors mozgások, mert a korona belső régióját akár néhány másodperces felbontással lesz képes megfigyelni. Továbbá a koronán belüli hőmérsékletkülönbségeket is vizsgálni tudja különböző szűrők alkalmazásával. Fehér fényben látható, hogy hol sűrűbb a világító plazma és hogyan mozdul el; ugyanezt a mozgást például zöld szűrőn keresztül megfigyelve a plazmán belül csak a különösen forró területeket fogjuk látni.

A 2019. július 2-i teljes napfogyatkozásról készített kompozit felvétel, melyen megfigyelhető a Nap korona régiója, illetve kicsit még a Hold felszínformái is. (Forrás: ESA/CESAR/Observatorio Astrofisico di Torino)

Mi gyorsítja fel a napszelet?

A Napból folyamatosan kiáramló, főként elektronokból, protonokból és alfa részecskékből álló plazmaáramot napszélnek nevezzük. Mikor a napszél részecskéi beleütköznek a Föld mágneses terébe, látványos fényjelenséget okoznak – ez a sarki fény. Ahogyan a földi szelek is, a napszél is lehet gyors vagy lassú, sima vagy egyenetlen. Két fő típusa nem csak sebességében tér el, hanem összetételében is, illetve a Nap más régióiból származnak.

A ,,lassú” napszelet alkotó részecskék (amelyek kb. 500 km/s, avagy 1,8 millió km/h sebességgel érik el a Földet) a Nap külső atmoszférájának, vagyis a koronának az összetételéhez hasonlítanak. Bár a részleteket még nem ismerjük teljesen, de ez a típusú napszél az aktív napfoltos régiókhoz kapcsolódik, ahonnan napkitörések, koronaanyag-kidobódások is kiindulnak. Ezek a napfoltok a Nap mágneses erővonalaival összefüggésben alakulnak ki, tulajdonképpen ezeken a területeken kissé ,,mélyebbre” látunk a Nap fotoszférájába, ahol kissé alacsonyabb a hőmérséklet.

A Proba-3 ASPIICS koronográfja a napfoltokból kilépő, megcsavarodott és összenyomódott mágneses erővonalak és a távolabbi mágneses tér kölcsönhatását vizsgálja. Habár nem képes közvetlenül detektálni a mágneses teret, de a koronában levő, világító plazma a mágneses erővonalakat követve „közlekedik”, így tulajdonképpen kirajzolva mágneses tér vonalait. A lassú napszél ,,csomósodásait” keresve igyekszik majd megfigyelni, hogy pontosan hogyan és honnan lépnek ki a részecskék a Napból.

A ,,gyors” napszél akár több mint 2 millió km/h sebességgel is haladhat, összetételét tekintve pedig jobban hasonlít a Nap felszínére. Ez a típusú napszél az ún. koronalyukakkal áll összefüggésben – ezek olyan régiók a Nap mágneses terében, ahol a mágneses vonalak nem fordulnak vissza a Nap belseje felé. Ezeken a ,,nyitott csöveken” keresztül kiáramolhat a plazmaanyag, azaz a napszél. A kérdés viszont, hogy vajon hogyan gyorsul fel a gyors napszél ilyen nagy sebességekre? A Proba-3 jeteket és olyan hullámokat fog keresni, amelyek egyfajta mágneses lökést adnak a napszél részecskéinek. Az ASPIICS teljes képet fog adni nekünk a plazma áramlásáról a Nap felszínétől, a koronán keresztül egészen 1,4 millió km-es távolságig.

3. Mi történik a koronaanyag-kidobódások során?

A napszél az űridőjárás egyik fontos összetevője, de még jobban figyelnünk kell a nagyobb, erőteljesebb napviharokra. A koronaanyag-kidobódások, vagy az angol rövidítést követve CME-k (coronal mass ejection) hatalmas plazmabuborékok, amik gyakran (de nem minden esetben) óriási elektromágneses kitörésekkel (napkitörés) egy időben lépnek ki a Napból. Amikor a Földet eléri egy ilyen CME, deformálja bolygónk mágneses terét és geomágneses viharokat okoz. Ezek hatással lehetnek műholdakra, navigációs rendszerekre, okozhatnak áramkimaradásokat, és az alacsonyabb szélességeken is megfigyelhető sarki fényt is.

A gyorsan mozgó CME-k továbbá lökéshullámokat is kelthetnek, amelyek a Naphoz közeli protonokat és más részecskéket is extrém sebességekre gyorsíthatnak. Ezek a nagyenergiás részecskék (angol szakkifejezéssel solar energetic particle) károsíthatják az űreszközeinket és veszélyeztetik a Föld védelmező légkörén kívül tartózkodó űrhajósainkat is. A Nap felszínéhez közel a Proba-3 képes lesz megfigyelni, hogy mi vezet egy ilyen koronaanyag-kidobódáshoz, hogyan zajlik a kitörés, hogyan fúvódnak fel utána hatalmasra és hogyan hatnak kölcsön a Nap külsőbb régióival.

Koronaanyag-kidobódás a SOHO 2021. október 28-i felvételén. (Forrás: SOHO/ESA & NASA)

4. Hogyan viselkednek a Föld mágneses terében csapdázódott elektronok?

A Föld körüli térben folyamatosan cikáznak akár a Napból, akár a Naprendszerből máshonnan, akár a csillagközi térből érkező részecskék. Szerencsére a Föld mágneses tere és légköre megvéd minket ezektől a töltött részecskéktől, de időnként csapdába is eshetnek a Föld körül, az ún. Van Allen sugárzási övekben. Ezek a gyorsan mozgó, nagyenergiás részecskék is veszélyeztetik az űrben keringő eszközeinket. Megzavarhatják a fedélzeti méréseket, memóriát, akár még maradandó károkat is okozhatnak bennük és veszélyeztetik az űrhajósokat is.

A Proba-3 elliptikus pályájának köszönhetően a Föld felszíne felett 600 km-es magasságtól egészen 60 530 km távolságig is eljut, így minden 19,7 órás keringése során kétszer fog áthaladni a belső és külső sugárzási öveken. Nem a Proba-3 lesz az első, aminek a pályája mindkét övet keresztezi, viszont egyedülállóan nagy részükön halad majd át. A 3DEES (3D Energetic Electron Spectrometer) spektrométerével ki tudja majd mérni a Föld sugárzási öveiben csapdázódott elektronok mennyiségét és származási irányát is. Először készülnek majd mérések hat különböző irányból a teljes 180°-os látómezőt lefedve a nagyenergiás elektronokról. A 3DEES normál körülmények közt is megfigyeli majd a Föld sugárzási öveit, de azt is figyelemmel kíséri majd, hogy hogyan változnak az űridőjárás hatására – például a korábban említett napszél és koronaanyag-kidobódásokkal kölcsönhatva.

A Proba-3 űrszondapáros erősen elnyúlt pályájának rajza. (Forrás: ESA/P. Carril, 2013)

5. Hogyan változik az időben a Napból kiáramló energia?

A Nap szerencsére minden nap süt, de néha kicsit erősebben, mint máskor. Egy év során, a Föld Naptól vett távolságától függően, a bolygónk felszínét elérő teljes napsugárzás akár 6%-ot is változhat. A Napból származó energia viszont attól is függ, hogy központi csillagunk a körülbelül 11 éves aktivitási ciklusán belül éppen hol tart, ami kb. 0,1%-os eltérést okoz. Vitatott téma, hogy hosszabb periódusok (100 – 1000 év) alatt mennyit változhatott a Nap kisugárzott energiamennyisége. Habár a napjainkban megfigyelhető klímaváltozást bizonyosan az emberi tevékenység okozza, a múltban történt éghajlatváltozások, mint például a kis jégkorszak (kb. 1300 – 1850), kialakulásában a Nap is játszhatott szerepet.

A Földön elérhető energia több mint 99,9%-át a Napnak köszönhetjük, így akár apró változások is nagy hatással lehetnek bolygónk éghajlatára. A teljes napsugárzás ismerete fontos a pontos klímamodellezéshez. A Proba-3 DARA (Digital Absolute Radiometer) eszközeivel folyamatosan monitorozni fogja a Nap energiakibocsátását. Egy pontosan ugyanilyen típusú műszer már működik a kínai FY-3E meteorológiai műholdon, amely 2021-ben indult útjára és 800 km-rel a Föld felszíne felett kering.

A Proba-3 DARA eszköze és más, korábbi radiométerek közti különbség ismét az erősen elnyúlt pályában rejlik, mert a Föld felszíne felett 60 530 km-es távolságból is képes lesz méréseket végezni. Minél messzebb van az eszköz bolygónktól, annál ,,tisztább” az űrbéli környezet, kevesebb a méréseket megzavaró szórt fény. Ennek köszönhetően a Proba-3 különösen pontosan képes majd meghatározni a napsugárzás legapróbb változásait is.

Forrás: ESA