Η NASA πρόκειται να βουτήξει αυτό το φλιτζάνι στην κορώνα του Ήλιου
Όταν ο Τζάστιν Κάσπερ, καθηγητής διαστημικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, ονειρεύεται, οραματίζεται ένα διαστημικό σκάφος στο μέγεθος ενός Toyota Prius να περνά με ταχύτητα μέσα από το στέμμα του ήλιου - ένα σύννεφο υπερθερμασμένου πλάσματος. Το σκάφος, το Solar Probe Plus της NASA, θα είναι πιο κοντά στο άστρο μας από ό,τι οποιοδήποτε ανθρωπογενές αντικείμενο ήταν ποτέ—μόλις 4 εκατομμύρια μίλια από την επιφάνειά του. Εκεί, ο ήλιος λάμπει 512 φορές πιο φωτεινός και είναι 20 φορές ευρύτερος από αυτό που βλέπουμε στη γη. Πετώντας με 450.000 μίλια την ώρα, το Solar Probe θα είναι το γρηγορότερο πράγμα που έχουμε βάλει ποτέ στο διάστημα, και το πιο σκληρό επίσης—η θερμική ασπίδα αφρού άνθρακα πάχους 4,5 ιντσών, τοποθετημένη ανάμεσα σε πλάκες άνθρακα, μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες 2.500 βαθμών Θερμόμετρο Φαρενάιτ. Σε περίπου θερμοκρασία δωματίου κάτω από αυτήν την ασπίδα λειτουργούν υπολογιστές και άλλος εξοπλισμός που ελέγχουν την πορεία του σκάφους. Αλλά το πιο σημαντικό όργανο του ανιχνευτή, το κύπελλο Faraday του, βρίσκεται έξω από την ασπίδα σαν μια κεφαλή σε μια γολέτα, βυθίζοντας στον ηλιακό άνεμο - μια έκρηξη εκατομμυρίων μιλίων την ώρα ηλεκτρονίων, πρωτονίων και ιόντων ηλίου. Το μέγεθος ενός κουτιού τόνου, αυτό το κύπελλο θα καταγράψει τη σύνθεση και την κατεύθυνση του ανέμου. Τα αποτελέσματα των μετρήσεών του θα μπορούσαν να απαντήσουν σε ορισμένα εξαιρετικά παζλ της αστροφυσικής, βασικό μεταξύ των οποίων είναι το μυστήριο του γιατί το στέμμα του ήλιου είναι πιο καυτό από την επιφάνειά του. Και η καλύτερη κατανόηση του ηλιακού ανέμου μπορεί να βοηθήσει τους ανθρώπους να αποικίσουν το διάστημα.
Ο ηλιακός άνεμος είναι και προστατευτικός και επικίνδυνος. Από τη μία πλευρά, βοηθά στη δημιουργία του ασφαλούς λιμανιού που είναι το ηλιακό μας σύστημα—μας προστατεύει από τις καταστροφικές κοσμικές ακτίνες που εκπέμπονται από τις μακρινές σουπερνόβα, όπως ένα ακρωτήριο προστατεύει έναν κόλπο από μεγάλα κύματα ωκεανού. Από την άλλη πλευρά, μπορεί να χτυπήσει τεράστια σύννεφα φορτισμένων σωματιδίων στο μαγνητικό πεδίο της γης, «προκαλώντας την παγκόσμια φυσαλίδα μαγνητισμού που περιβάλλει τον πλανήτη μας να τρέμει και να τρέμει», λέει μια τοποθεσία της NASA. Αυτές οι καταιγίδες δημιουργούν τεράστια ηλεκτρικά ρεύματα, τα οποία μπορούν να διαταράξουν σε μεγάλο βαθμό τη ζωή στη γη. Κατά τη διάρκεια της περίφημης ηλιακής καταιγίδας του 1859, γνωστής ως το συμβάν Carrington, τα τηλεγραφικά συστήματα σε όλη την Ευρώπη και τη Βόρεια Αμερική απέτυχαν, οι σπινθήρες προκάλεσαν ηλεκτροσόκ στους χειριστές και το τηλεγραφικό χαρτί πήρε φωτιά. Στον σημερινό κόσμο, που εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από επικοινωνίες δορυφόρου-εδάφους, σήματα GPS και συνδέσεις κινητής τηλεφωνίας, μια παρόμοια ηλεκτρομαγνητική καταιγίδα μπορεί να προκαλέσει τον όλεθρο σε πολύ μεγαλύτερο βαθμό. Είναι επίσης επικίνδυνο για τα διαστημικά ταξίδια, παρεμποδίζοντας τον εξοπλισμό και ακτινοβολώντας αστροναύτες και πλοία. Ενώ η NASA έχει προσγειώσει ανθρώπους στο φεγγάρι και ρόβερ στον Άρη, έχει κάνει δειγματοληψία από την ατμόσφαιρα της Αφροδίτης και συντριβή με έναν ανιχνευτή στον κομήτη Tempel 1, ο ήλιος και ο άνεμος του παραμένουν κάτι σαν μυστήριο. Με το Solar Probe Plus, το λιγότερο εξερευνημένο αντικείμενο στο ηλιακό μας σύστημα θα έχει επιτέλους ένα κοντινό πλάνο.
Ο ήλιος αποτελείται από στρώματα:Από μέσα προς τα έξω, είναι ο πυρήνας, η φωτόσφαιρα, η χρωμόσφαιρα και το στέμμα. Ο πυρήνας είναι ένα πυκνό νέφος ιόντων υδρογόνου που υφίσταται συνεχείς αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης, οι οποίες δημιουργούν ιόντα ηλίου και απελευθερώνουν τεράστιες ποσότητες θερμότητας και ενέργειας που εκπέμπονται προς τη φωτόσφαιρα. Ο πυρήνας του ήλιου είναι 27 εκατομμύρια βαθμούς Φαρενάιτ, αλλά η φωτόσφαιρα είναι 10.000 βαθμούς Φαρενάιτ—μόνο περίπου πέντε φορές θερμότερος από τις πιο καυτές δασικές πυρκαγιές. Αυτό είναι λογικό—όσο πιο μακριά από τη φωτιά κάθεστε, τόσο πιο κρύο γίνεται. Αλλά ο ήλιος δεν είναι τόσο απλός. Πέρα από τη φωτόσφαιρα υπάρχει ένα σχετικά λεπτό στρώμα της χρωμόσφαιρας, από όπου πιστεύεται ότι προέρχεται ο ηλιακός άνεμος. Μακρύτερα βρίσκεται η κορώνα, η οποία έχει πάχος πολλών εκατομμυρίων μιλίων και έχει θερμοκρασία 5 εκατομμύρια βαθμούς Φαρενάιτ. Στο στέμμα, η αναλογία της φωτιάς κατασκήνωσης αποτυγχάνει—καμαίνεται πιο μακριά από τον πυρήνα του ήλιου.
Ο Jonathan Cirtain, ο οποίος ηγήθηκε μιας ομάδας στο Marshall Space Flight Center της NASA στο Huntsville της Αλαμπάμα στη δημιουργία μέρους του κυπέλλου Solar Probe, πιστεύει ότι η μαγνητική ενέργεια του ήλιου είναι υπεύθυνη για τη θερμότητα του στέμματος. Αποθηκευμένη στα ανώτερα μέρη της χρωμόσφαιρας ή στα κατώτερα μέρη του στέμματος, αυτή η μαγνητική ενέργεια απελευθερώνεται στο πλάσμα. Αυτό θερμαίνει το πλάσμα σε τέτοιο βαθμό που τα σωματίδια διαφεύγουν από τη βαρύτητα του ήλιου και εκτοξεύονται με ταχύτητα 1 εκατομμυρίου μιλίων την ώρα με τη μορφή του ηλιακού ανέμου. Καθώς το Solar Probe Plus επιταχύνει μέσω της κορώνας, αυτός ο άνεμος θα φυσήξει κατευθείαν στο κύπελλο του Kasper και του Cirtain.
Το σκληρό μικρό κύπελλο είναι κατασκευασμένο από μέταλλα υψηλής αντοχής στη θερμότητα—μολυβδαίνιο, τιτάνιο και ζιρκόνιο. Δύο φύλλα νιοβίου, ένα ακόμη πιο ανθεκτικό στη θερμότητα μέταλλο, θα καλύψουν το άνοιγμα του κυπέλλου, το οποίο θα βυθιστεί στον άνεμο. Κάθε φύλλο θα έχει μια μικρή τρύπα για να πετάξουν τα σωματίδια. Μόλις εισέλθουν, τα σωματίδια θα περάσουν μέσα από μια σειρά από πλέγματα βολφραμίου, τα οποία είναι γεμάτα με συγκεκριμένες τάσεις και λειτουργούν ως φίλτρα. «Μετρώντας το ρεύμα ως συνάρτηση της τάσης μπορώ να δω ξεχωριστά τα πρωτόνια και τα άλφα, καθώς απαιτούν διαφορετικές τάσεις για να τα σταματήσουν», λέει ο Kasper. «Με το ρεύμα ως συνάρτηση της τάσης παίρνω τις βασικές ιδιότητες του ανέμου:πυκνότητα, ταχύτητα και θερμοκρασία». Μόλις περάσουν μέσα από τα πλέγματα, τα σωματίδια θα προσκρούσουν σε μια κυκλική μεταλλική πλάκα που θα καταγράφει το φορτίο τους και τη γωνία με την οποία εισέρχονται. Η γωνία είναι σημαντική, εξηγεί ο Kasper, επειδή το πλάσμα μπορεί να γλιστρήσει μπρος-πίσω. "Ο τρόπος με τον οποίο αλλάζει η ροή όταν αλλάζουν το ηλεκτρικό πεδίο και το μαγνητικό πεδίο μας λέει πολλά για το είδος του κύματος ή των δίνων που περνάμε και αν κατευθύνεται προς τον ήλιο ή μακριά."
Το κύπελλο Faraday του Solar Probe Plus πρέπει να είναι από τα πιο κακοποιημένα -και δοκιμασμένα- δοχεία που έχει κατασκευάσει η ανθρωπότητα. Ένας ισχυρός επιταχυντής σωματιδίων στο Marshall Space Flight Center της NASA εκτόξευσε το κύπελλο με ιόντα και ηλεκτρόνια σε ενέργειες παρόμοιες με αυτές του ηλιακού ανέμου. Σε έναν ηλιακό κλίβανο στα Γαλλικά Πυρηναία, το κύπελλο άντεξε μια ηλιακή ακτίνα που μπορεί να κάψει μια τρύπα πλάτους του ποδιού μέσα από μια χαλύβδινη πλάκα σε 30 δευτερόλεπτα. Το κύπελλο αντιμετώπιζε επίσης μια σειρά προβολέων ταινιών IMAX, των οποίων οι λαμπτήρες xenon εκπέμπουν υπεριώδες φως στο ίδιο φάσμα με την επιφάνεια του ήλιου. Πώς τα πήγε; «Είμαι στην ευχάριστη θέση να πω», λέει ο Kasper, «το κύπελλο πάει πολύ καλά».
Η ονειροπόληση του Kasper θα γίνει πραγματικότητα σε 10 χρόνια από τώρα, αφού η NASA εκτοξεύσει τον ανιχνευτή της το 2018. Χρησιμοποιώντας τη βαρυτική έλξη της Αφροδίτης ως γιγάντιο μαξιλάρι θραύσης, ο ανιχνευτής θα πέσει σε μια τροχιά που θα τον φέρει πιο κοντά στον ήλιο. Τρεις μήνες μετά την απογείωση, τον Ιούλιο του 2018, ο καθετήρας θα κάνει την πρώτη από τις 24 ηλιακές προσεγγίσεις του. Σε κάθε προσέγγιση ο καθετήρας θα έχει ένα παράθυρο 11 ημερών για να βουτήξει στον ήλιο, κατά τη διάρκεια του οποίου ένα τηλεσκόπιο ευρέως πεδίου θα απεικονίσει το στέμμα και το κύπελλο θα αξιοποιήσει τον ηλιακό άνεμο.
Κατά τη διάρκεια της ηλιακής του βύθισης, ο ανιχνευτής δεν θα μπορεί να επικοινωνήσει με τη Γη για διάφορους λόγους:ο κίνδυνος καύσης των κεραιών, οι μαγνητικές παρεμβολές, καθώς και ο ήλιος, κατά καιρούς, θα σταθεί μεταξύ του καθετήρα και της γης. Αλλά στο δρόμο της επιστροφής προς την Αφροδίτη, ο ανιχνευτής θα χρησιμοποιήσει την ενέργεια του ήλιου για να μεταδώσει τα δεδομένα που συγκέντρωσε, ενημερώνοντας τον Kasper και τον Cirtain για την προέλευση, τη σύνθεση και την ένταση του ανέμου.
«Οι ανακαλύψεις που θα γίνουν είναι εκτός διαγραμμάτων», λέει η αστροφυσικός της NASA Madhulika Guhathakurta, η οποία είναι επικεφαλής του προγράμματος «Living With a Star» της NASA. Το έργο του Έλον Μασκ για τον πληθυσμό του Άρη, η πρωτοβουλία της NASA να πετάξει στην Ευρώπη και άλλες μελλοντικές διαστημικές αποστολές μπορεί να χρησιμοποιήσουν αυτές τις πληροφορίες για να ξεφύγουν από τη βίαιη καταιγίδα σωματιδίων που εκτοξεύονται από τον ήλιο. "Αυτή θα μπορούσε να είναι η αποστολή που βοηθά το ανθρώπινο είδος να μεταβεί από τους κατοίκους της γης σε κατοίκους του διαστήματος", λέει ο Guhathakurta.
Οι ιστορίες του Τζάστιν Νόμπελ για την επιστήμη και τον πολιτισμό έχουν εμφανιστεί στο Χρόνος, Ωρίωνας, και Τσιγκένιο σπίτι. Μεταξύ άλλων έργων, αυτή τη στιγμή εργάζεται σε ένα βιβλίο με παραμύθια για τον καιρό. Ζει στη Νέα Ορλεάνη.
