Πώς το Parker Solar Probe θα «αγγίξει τον Ήλιο»

Το καλοκαίρι του 2018, η NASA εκτόξευσε μία από τις πιο φιλόδοξες διαστημικές αποστολές της μέχρι σήμερα:το Parker Solar Probe. Ταξιδεύοντας με 720.000 χλμ./ώρα (450.000 μίλια/ώρα), το διαστημόπλοιο θα βουτήξει επανειλημμένα πιο κοντά στον Ήλιο από οποιοδήποτε προηγούμενο διαστημικό σκάφος στην ιστορία. Έχει ήδη ταξιδέψει πιο κοντά στον Ήλιο από οποιοδήποτε άλλο τεχνητό αντικείμενο πριν, και θα τολμήσει τόσο κοντά που η ομάδα του Parker Solar Probe το αναφέρει ως να αγγίζει τον Ήλιο. Στην πραγματικότητα, θα βουτήξει μέσα και έξω από την ατμόσφαιρα του Ήλιου, γνωστή ως στέμμα του. Και δεν πρόκειται να είναι μόνος εκεί πάνω.

Τον Φεβρουάριο του 2020, ο Ευρωπαϊκός Οργανισμός Διαστήματος (ESA) θα ξεκινήσει μια δική του ηλιακή αποστολή, που ονομάζεται Solar Orbiter. Αυτό το σκάφος δεν θα πλησιάσει τόσο κοντά στον Ήλιο όσο το αντίστοιχο της NASA, αλλά θα εξακολουθεί να λούζεται από έντονο ηλιακό φως, σχεδόν 500 φορές από αυτό που βιώνει ένα διαστημόπλοιο στην τροχιά της Γης. Σε αντίθεση με το Parker Solar Probe, το οποίο ξοδεύει μόνο λίγο χρόνο στην έντονη ζέστη καθώς βουτάει μέσα και έξω, το Solar Orbiter θα παραμείνει για χρόνια, παρακολουθώντας και μετρώντας τον Ήλιο.

Διαβάστε περισσότερα:

• Η σκοτεινή πλευρά της ηλιακής ενέργειας στο Star Wars:The Force Awakens
• Τι μπορούν να μας πουν οι αστεροειδείς για το Ηλιακό μας Σύστημα

Και οι δύο αυτές αποστολές έχουν έναν μόνο στόχο:να μάθουν περισσότερα για τον τρόπο με τον οποίο το ηλεκτρισμένο αέριο γνωστό ως πλάσμα εκτοξεύεται από την ατμόσφαιρα του Ήλιου στο διάστημα. Αυτό το συνεχές ρεύμα είναι γνωστό ως ηλιακός άνεμος. Μεταφέρει ενέργεια και το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου μέσω του διαστήματος και η κατανόησή του θα μπορούσε να λύσει ένα πρόβλημα που συγκινεί τους επιστήμονες εδώ και δεκαετίες και θα μπορούσε να είναι το κλειδί για την προστασία της τεχνολογικής μας κοινωνίας.

Τι άνεμος

Όταν ο ηλιακός άνεμος συγκρούεται με τη Γη, μπορεί να διαταράξει ή ακόμα και να καταστρέψει την ηλεκτρική τεχνολογία στην τροχιά και στο έδαφος. Μια πρόσφατη μελέτη της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών των ΗΠΑ διαπίστωσε ότι χωρίς προειδοποίηση, μια τεράστια ηλιακή έκλαμψη, που μεταφέρεται από τον ηλιακό άνεμο, θα μπορούσε να προκαλέσει ζημιά αξίας 2 τρισεκατομμυρίων δολαρίων μόνο στις ΗΠΑ και δεν θα ήταν γρήγορο να διορθωθεί. Η έκθεση διαπίστωσε ότι μια τέτοια τεράστια ηλιακή έκλαμψη θα μπορούσε να προκαλέσει τόση ζημιά στους σταθμούς παραγωγής ενέργειας που η ανατολική ακτή των ΗΠΑ θα μπορούσε να μείνει χωρίς ρεύμα για ένα χρόνο. Η Ευρώπη είναι παρόμοια ευάλωτη.

Ωστόσο, ενώ κάτι τέτοιου μεγέθους θα συνέβαινε μόνο μία φορά κάθε δύο εκατοντάδες χρόνια, μικρότερες καταιγίδες συμβαίνουν πιο συχνά. Τα περισσότερα από αυτά προκαλούν μικρή αναστάτωση, αλλά όλα έχουν αποτέλεσμα. Τον Μάρτιο του 1989, για παράδειγμα, μια μικρή ηλιακή καταιγίδα κατέστρεψε σοβαρά έναν μετασχηματιστή ισχύος στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας Hydro-Québec. Απενεργοποίησε το ηλεκτρικό τους δίκτυο για περισσότερες από εννέα ώρες καθώς πραγματοποιήθηκαν επείγουσες επισκευές. Και πιο πρόσφατα, το 2003, μια σειρά ηλιακών καταιγίδων που έλαβαν χώρα γύρω από την περίοδο του Halloween προκάλεσαν δυσλειτουργία σε περισσότερους από τους μισούς δορυφόρους της NASA με κάποιο τρόπο, ενώ τα αεροπλάνα έπρεπε να δρομολογηθούν εκ νέου μακριά από τα πολικά γεωγραφικά πλάτη λόγω των μεγάλων ποσοτήτων ακτινοβολία που σχετίζεται με το έντονο σέλας.

Έτσι, ενώ η μελέτη του Ήλιου δεν ήταν ποτέ πιο επίκαιρη, η επιθυμία να γίνει αυτό εκτείνεται πριν από τη διαστημική εποχή έως τον 19ο αιώνα, όταν αποκαλύφθηκε ένα ηλιακό μυστήριο. Στις 7 Αυγούστου 1869, αστρονόμοι συγκεντρώθηκαν σε όλη τη Ρωσία και τη Βόρεια Αμερική για να παρατηρήσουν μια ολική έκλειψη Ηλίου. Σε αυτά τα φευγαλέα λεπτά σκότους, οι επιστήμονες είδαν κάτι που δεν ήταν ορατό σε καμία άλλη στιγμή:τα φανταστικά πέπλα του ηλιακού στέμματος, την εξωτερική ατμόσφαιρα του Ήλιου.

Ήταν ένα αντικείμενο γοητείας για τους αστρονόμους της εποχής. Δύο από τους αστρονόμους, ο Charles Augustus Young και ο William Harkness, χρησιμοποιούσαν φασματοσκόπια για να χωρίσουν το στεφανιαίο φως στα μήκη κύματος που το απαρτίζουν. Γνώριζαν ότι τα διάφορα χημικά στοιχεία έδιναν φως σε συγκεκριμένα μήκη κύματος και μετρώντας αυτές τις «φασματικές γραμμές» θα μπορούσαν να καθορίσουν τα χημικά συστατικά του κορώνα. Δουλεύοντας ανεξάρτητα, και οι δύο ανακάλυψαν μια πράσινη φασματική γραμμή με μήκος κύματος 530,3 nm. Προκάλεσε μεγάλο ενθουσιασμό εκείνη την εποχή, επειδή δεν υπήρχε καμία γνωστή χημική ουσία που να σχετίζεται με αυτό το μήκος κύματος, έτσι οι αστρονόμοι νόμιζαν ότι είχαν ανακαλύψει ένα νέο στοιχείο. Το ονόμασαν κορώνιο.

Αποδείχθηκε ότι ο Young και ο Harkness είχαν άδικο, ωστόσο οι επιστήμονες κατάλαβαν το γιατί μέχρι τη δεκαετία του 1930. Οι αστροφυσικοί Walter Grotrian και Bengt Edlén διεξήγαγαν εργαστηριακά πειράματα και διαπίστωσαν ότι ο σίδηρος θα μπορούσε να εκπέμψει αυτό το πράσινο φως, αλλά μόνο εάν θερμανόταν σε εξαιρετικά θερμούς 3.000.000°C, μετατρέποντάς τον σε ένα ηλεκτρικά αλλαγμένο αέριο γνωστό ως πλάσμα.

Με αυτή τη συνειδητοποίηση γεννήθηκε το πραγματικό μυστήριο. Τι ακριβώς θερμαίνει το στέμμα του Ήλιου στους 3.000.000°C; Το μέγεθος του προβλήματος είναι τεράστιο γιατί η επιφάνεια του Ήλιου είναι μόλις (αστρονομικά μιλώντας) 6.000°C. «Αψηφά τους νόμους της φυσικής και της φύσης. Είναι σαν το νερό που ρέει στον λόφο. Απομακρύνεστε από μια πηγή θερμότητας και θα πρέπει να γίνει πιο κρύο και όχι πιο ζεστό», λέει ο Nicola Fox, επιστήμονας του έργου στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Φυσικής του Πανεπιστημίου Johns Hopkins. «Τι συμβαίνει σε αυτή την περιοχή που ξαφνικά επιταχύνει όλο αυτό το στεφανιαίο υλικό σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 3.000.000°C; Είναι το μυστήριο νούμερο ένα», λέει η Fox.

Και αν αυτό δεν ήταν αρκετά μεγάλο αίνιγμα, υπάρχει ένα δεύτερο, σχετικό μυστήριο. Το αέριο αποσπάται από τον Ήλιο ακριβώς εκεί όπου η θερμοκρασία κορυφώνεται. «Αν σκεφτείτε τον Ήλιο ως ένα γιγάντιο βαρυτικό αστέρι, θα κρέμεται από το υλικό του. Και όμως το πλάσμα μπορεί να αποσπαστεί και να μετακινηθεί και να κάνει μπάνιο σε όλους τους πλανήτες», λέει η Fox.

Αυτός είναι ο ηλιακός άνεμος. Είναι κατασκευασμένο κυρίως από υδρογόνο και ήλιο. Ο σίδηρος που πρόδωσε τη μεγάλη θερμοκρασία του κορώνα αποτελεί στην πραγματικότητα μόνο ένα μικρό κλάσμα της σύνθεσής του. Ο ηλιακός άνεμος μεταφέρει μαζί του το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου και ρέει στο διάστημα με περίπου 1.600.000 km/h (1.000.000 mph). Λούζει τους πλανήτες και όταν συγκρούεται με τη Γη, πυροδοτεί τα εκπληκτικά σέλας που λάμπουν στους πολικούς ουρανούς.

Μείνετε ψύχραιμοι

Οι αστρονόμοι λένε ότι η επιτάχυνση του ηλιακού ανέμου εμφανίζεται σε περίπου 10 ηλιακές ακτίνες (μία ηλιακή ακτίνα ισούται με την ακτίνα του Ήλιου). «Εκεί πηγαίνει το Parker Solar Probe, είναι μια επιστημονικά σημαντική περιοχή του διαστήματος», λέει ο καθηγητής Tim Horbury του Imperial College του Λονδίνου, ο οποίος είναι συν-ερευνητής στο όργανο FIELDS του Parker Solar Probe.

Μέσα από μια σειρά από εξαιρετικά κοντινές συναντήσεις με τον Ήλιο, η Parker Solar Probe θα εξερευνήσει επανειλημμένα αυτήν την περιοχή κλειδί. Θα επιβιώσει από την κατάδυσή του χάρη σε ένα καινοτόμο σύστημα θερμικής προστασίας (TPS). Αυτή η θερμική ασπίδα αποτελείται από δύο πλάκες που χωρίζονται από ένα στρώμα αφρού άνθρακα. Το στρώμα που βλέπει τον Ήλιο είναι λευκό και ανακλαστικό. Ο ίδιος ο αφρός είναι διάχυτος και ελαφρύς και αποτελείται από 97 τοις εκατό αέρα. Αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε ειδικά για το διαστημόπλοιο και είναι μία από τις βασικές τεχνολογίες που επέτρεψαν την πραγματοποίηση της αποστολής. Έχει πάχος λίγο περισσότερο από 11 εκατοστά και θα θερμανθεί στους 1.377°C περίπου κατά τη διάρκεια των κοντινών ηλιακών διελεύσεων. Στην άλλη πλευρά του TPS, όπου βρίσκεται το διαστημόπλοιο, ο σχεδιασμός θα διαχέει σχεδόν πλήρως τη θερμότητα, μειώνοντάς την σε μια άνετη θερμοκρασία δωματίου περίπου 21°C.

Η θερμική ασπίδα του Solar Orbiter υιοθετεί μια διαφορετική προσέγγιση επειδή πρέπει να αντέχει χαμηλότερη αλλά σταθερή θέρμανση. Η μέγιστη θερμοκρασία του είναι πιθανό να είναι περίπου 520°C, αλλά δεν πρόκειται να κατευθυνθεί προς την τροχιά της Αφροδίτης για να κρυώσει, όπως το Parker Solar Probe. Η θερμική ασπίδα του Solar Orbiter είναι κατάμαυρη αντί για άσπρη και ανακλαστική, καθώς αυτό σημαίνει ότι απορροφά θερμότητα και την εκπέμπει πίσω στο διάστημα.

Είναι κατασκευασμένο από τιτάνιο που καλύπτεται με ένα προστατευτικό δέρμα που ονομάζεται SolarBlack, το οποίο προέρχεται από μια χρωστική ουσία με βάση τον άνθρακα από καμένα οστά ζώων. Αυτή η χρωστική ουσία είναι ένας τύπος μαύρου φωσφορικού ασβεστίου και χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή λιπασμάτων και κραμάτων μετάλλων και για το φιλτράρισμα βαρέων μετάλλων από το νερό. Αυτό το δέρμα διατηρεί τον ευρωπαϊκό διαστημικό ανιχνευτή ασφαλή, ώστε να μπορεί να λειτουργεί συνεχώς σε απόσταση 60 ηλιακών ακτίνων. Αν και αυτό είναι έξι φορές πιο μακριά από την πλησιέστερη προσέγγιση του Parker Solar Probe, υπάρχει ένας ιδιαίτερος λόγος για την επιλογή αυτής της απόστασης. «Πηγαίνει όσο πιο κοντά μπορείτε και εξακολουθεί να χρησιμοποιεί τηλεσκόπια για να κοιτάξει τον Ήλιο», εξηγεί ο Horbury. Το μοναδικό τηλεσκόπιο του Parker Solar Probe κοιτάζει στο πλάι για να τραβήξει εικόνες του ηλιακού ανέμου που τρέχει.

Τα τηλεσκόπια του Solar Orbiter θα μελετήσουν την επιφάνεια του Ήλιου με μια ποικιλία οργάνων σε ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών μηκών κύματος, έτσι ώστε οι αστρονόμοι να μπορούν να προσδιορίσουν τις πυκνότητες, τις θερμοκρασίες και το μαγνητικό πεδίο του επιφανειακού αερίου. Στη συνέχεια, περιέχει μια δεύτερη σειρά οργάνων που μετρούν τις ίδιες ιδιότητες για τον ηλιακό άνεμο καθώς περνά από το διαστημόπλοιο. Το Parker Solar Probe έχει σχεδιαστεί για να πετάει μέσα από την ακριβή περιοχή της ατμόσφαιρας του Ήλιου όπου διακόπτει τη σύνδεσή του με την ηλιακή επιφάνεια και γίνεται ο ηλιακός άνεμος. Έτσι, μοιράζοντας τα δεδομένα τους, οι επιστήμονες της αποστολής μπορούν να κάνουν τη σύνδεση μεταξύ των γεγονότων στην ηλιακή επιφάνεια, της εκτόξευσης του ηλιακού ανέμου και των συνθηκών κατάντη. Αυτή είναι η ουσία των ονείρων για τους ανθρώπους που ασχολούνται με την κατανόηση του διαστημικού καιρού.

"Το Solar Orbiter έχει να κάνει με τη σύνδεση μεταξύ αυτού που συμβαίνει στον Ήλιο και αυτού που συμβαίνει στον ηλιακό άνεμο", λέει ο Horbury.

Έγκαιρη προειδοποίηση

Πέρα από την απλή περιέργεια – που θα ήταν αρκετός λόγος για να ξεκινήσουμε αυτές τις αποστολές – υπάρχει μια σημαντική πρακτική εφαρμογή:η προστασία της τεχνολογίας στην οποία βασιζόμαστε καθημερινά.

Εκτός από τη δημιουργία του σέλας, η αλληλεπίδραση του ηλιακού ανέμου με το μαγνητικό πεδίο της Γης μπορεί να βλάψει σοβαρά τη σημαντική τεχνολογία. Το συμβάν Carrington, το οποίο έλαβε χώρα το 1859, είναι η μεγαλύτερη από αυτές τις λεγόμενες ηλιακές καταιγίδες που έχουν καταγραφεί. Το σέλας φάνηκε στα δύο τρίτα του πλανήτη, το παγκόσμιο τηλεγραφικό δίκτυο κατέρρευσε και οι πυξίδες περιστράφηκαν άχρηστα. Σήμερα, το ίδιο θα μπορούσε να συμβεί με τα δορυφορικά πλοία, τις τηλεπικοινωνίες και τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας – όλη η τεχνολογία στην οποία βασίζεται η κοινωνία για να λειτουργήσει. Ωστόσο, λαμβάνουμε μόνο 30 έως 60 λεπτά προειδοποίηση από ένα διαστημόπλοιο της NASA που ονομάζεται ACE (Advanced Composition Explorer).

Μόλις αυτές οι δύο αποστολές ολοκληρώσουν το έργο τους, η ελπίδα είναι ότι αυτός ο χρόνος προειδοποίησης θα αυξηθεί σε μία ή δύο ημέρες. Αυτό συμβαίνει επειδή οι ηλιακές καταιγίδες πυροδοτούνται από εκλάμψεις στον Ήλιο που προκαλούν μια ξαφνική εκτόξευση υλικού από το στέμμα στον ηλιακό άνεμο. Χρειάζονται μία ή δύο ημέρες για να διασχίσει αυτή η έκρηξη το διάστημα, επομένως είναι κρίσιμο να γνωρίζουμε τον τρόπο με τον οποίο εκτοξεύεται ο ηλιακός άνεμος εάν πρόκειται να υπολογίσουμε τη σοβαρότητα τυχόν εισερχόμενων ηλιακών καταιγίδων. Θα μπορούσε επίσης να μας δώσει περισσότερο χρόνο για να προετοιμάσουμε και να προστατέψουμε τυχόν σημαντικά ηλεκτρικά.

«Τα δεδομένα που παρέχουμε θα χρησιμοποιηθούν για να γίνουν μετασχηματιστικές βελτιώσεις στα μοντέλα. Σε λίγα χρόνια από τώρα, όταν βλέπουμε ένα μεγάλο γεγονός, το μοντέλο θα μας πει με ακρίβεια τι έρχεται στη Γη», λέει η Fox. «Είναι εξαιρετικά τυχαίο που έχουμε τις δύο αποστολές να εκτελούνται σε παρόμοιο χρονικό πλαίσιο. Είναι τόσο συνεργικοί, που δεν θα μπορούσα να είμαι πιο ενθουσιασμένος που θα είναι μαζί. Είναι τέλειο."

• Αυτό είναι απόσπασμα από το τεύχος 317 του BBC Focus περιοδικό. Εγγραφή και παραλάβετε το πλήρες άρθρο στην πόρτα σας ή κατεβάστε το BBC Focus εφαρμογή για να το διαβάσετε στο smartphone ή το tablet σας. Μάθετε περισσότερα

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard