Sonda kosmiczna ma zbadać słabo widoczne z Ziemi bieguny Słońca. Dostarczy nowych danych o naszej macierzystej gwieździe i heliosferze. Do badania powierzchni Słońca, jego gorącej atmosfery zewnętrznej, magnetosfery oraz zmian wiatru słonecznego, Solar Orbiter wykorzysta kombinację dziesięciu instrumentów – jednym z nich jest spektometr SPICE.

W skład międzynarodowego konsorcjum, które od roku 2012 zajmowało się budową SPICE, wchodzą firmy i instytuty z Francji, Niemiec, Norwegii, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii i USA. Konsorcjum jest prowadzone przez wydział RAL Space w dużej organizacji badawczej “Science and Technology Facilities Council” (STFC) w Wielkiej Brytanii, a kierownikiem tego konsorcjum jest wykształcony w Polsce i mieszkający w Wielkiej Brytanii dr Andrzej Fludra.

"Zbudowany przez nas spektrometr o wysokiej rozdzielczości, rejestrujący widmo w zakresie skrajnego ultrafioletu to jedyne urządzenie na pokładzie Solar Orbitera o takich możliwościach - pozostałe rejestrują tylko obrazy lub inne zakresy promieniowania" – wyjaśnił w rozmowie z PAP dr Fludra.

"Ultrafiolet obejmuje szeroki zakres od światła widzialnego aż do promieniowania rentgenowskiego (długość fali promieniowania UV jest mniejsza niż światła fioletowego, a rentgenowskie ma fale jeszcze krótsze). Pomiarów dokonujemy w dwóch stosunkowo wąskich pasmach: 70,4-79 nm oraz 97,3-105 nm, które są częścią zakresu skrajnego ultrafioletu (10 do 120 nanometrów). Obserwacja w zakresie skrajnego ultrafioletu pozwala na fantastyczną diagnostykę plazmy w koronie słonecznej. Emitują go obiekty o temperaturze od 10 000 stopni Kelwina tuż nad powierzchnią Słońca do 2 mln K w jego koronie. W czasie rozbłysku temperatura korony może lokalnie osiągnąć nawet 10-20 milionów stopni" - opisał naukowiec.

W przypadku fal o małych długościach występują tak zwane linie emisyjne. Promieniowanie rentgenowskie i skrajny ultrafiolet emitowane są przez zjonizowane atomy, które pogubiły część elektronów. Chodzi o jony pierwiastków takich jak wodór, hel, węgiel, tlen, azot, neon, siarka, magnez, krzem czy nawet żelazo (którego w koronie jest mniej niż 0,01 proc.). "Gdy nadal obecne w zjonizowanych atomach elektrony zderzają się z innymi, wolnymi elektronami, przeskakują na wyższą orbitę, a potem z niej spadają, emitując promieniowanie” - dodał.

Jak wyjaśnił, jon każdego pierwiastka ma swoje charakterystyczne promieniowanie, linie emisyjne, często nazywane jego „liniami papilarnymi”. "Gdy widzimy te linie, możemy z nich odczytać nie tylko to, jakie atomy wchodzą w skład korony i ich ilość w porównaniu do wodoru, ale także, jaką mają temperaturę. Ze względu na pole magnetyczne Słońca poszczególne obszary korony mogą bardzo różnić się temperaturą, mogą też w nich występować jony o bardzo różnych temperaturach na małym obszarze" - powiedział. "Naszą wiedzę na ten temat ogranicza rozdzielczość przestrzenna stosowanej aparatury - w przypadku SPICE, przy maksymalnym zbliżeniu do Słońca - około 400 kilometrów" - dodał.

"Naszym głównym celem jest wykrycie, gdzie w tak zwanych dziurach koronalnych wypływa wiatr słoneczny. Spektrometr ma tę zaletę, że potrafi mierzyć prędkości jonów, ponieważ linie widmowe przesuwają się w lewo lub w prawo w zależności od tego, czy plazma płynie do obserwatora, czy przeciwnym kierunku (efekt Dopplera). Zaczynając od zera, cząsteczki tworzące wiatr słoneczny w krótkim czasie osiągają prędkości rzędu dziesiątek kilometrów na sekundę, a dalej od Słońca - setek kilometrów na sekundę. Chcemy poznać mechanizm i miejsce tego przyspieszania – temu właśnie służą pomiary prędkości. Istnieją różne modele zachowania wiatru słonecznego. Główny cel obserwacji cząsteczek na różnych wysokościach to weryfikacja teorii – i odrzucenie modeli błędnych" - powiedział.

A jak zbudowany jest SPICE? Zwierciadło paraboliczne skupia promieniowanie słoneczne na wąskiej szczelinie, która „wycina” ze Słońca cieniutki fragment (szerokością odpowiadający 400 kilometrom na jego powierzchni, gdy satelita jest w perihelium). Szerokość szczeliny określa rozdzielczość instrumentu. Wielkość pojedynczego piksela jest o połowę mniejsza. Wzdłuż szczeliny jest kilkaset takich pikseli. Światło za szczeliną pada na kolejne, małe lustro z gęsto naciętymi tysiącami rowków, które działa jak siatka dyfrakcyjna. Rowki te rozszczepiają światło skrajnego ultrafioletu na różne długości fal. Dzięki zakrzywieniu drugiego zwierciadła uzyskany obraz skupia się na matrycy APS. Ta matryca (detektor) reaguje na światło widzialne - dlatego konieczny jest przetwornik, który emituje elektrony, padające z kolei na płytkę luminescencyjną, a powstałe światło – na detektor.

"To skomplikowane, ale technologia jest już sprawdzona. Główne zwierciadło jest poruszane przez mały silniczek piezo, co pozwala skanować obserwowany obiekt na Słońcu. Długość szczeliny pozwala obserwować mniej więcej jednej piątej promienia tarczy Słońca w perihelium orbity, natomiast szerokość uzyskanego obrazu zależy od liczby ruchów lustra" - powiedział dr Fludra.

Przyznał, że można by zbudować spektrometr obejmujący całe Słońce, ale wówczas miałby on mniejszą rozdzielczość, która jest dla naukowców ważniejsza. Ponadto sam instrument nie może być zbyt duży ze względu na ograniczenia masy sondy – jej wyniesienie na orbitę okołosłoneczną wymaga znacznie więcej paliwa niż na orbitę okołoziemską.

Uzyskane z misji Solar Orbiter informacje będą dostępne dla naukowców z całego świata. Pierwsze użyteczne dane mają się pojawić w listopadzie roku 2021. Cała misja Solar Orbiter potrwa co najmniej do grudnia roku 2025. Jej koszt szacuje się na około miliard euro.

PAP - Nauka w Polsce, Paweł Wernicki

pmw/ agt/