Nærkontakt med Sola

Med Solar Orbiter og Parker Solar Probe reiser vi til Sola for første gang.

Terje Fredvik, Senioringeniør ved Rosseland senter for solfysikk, UiO

La oss starte med en analogi: Tre fuglekikkere går tur da de hører sangen fra en sjelden fugl fra den andre siden av dalen. Den ene, la oss kalle henne Iris, monterer det dyre og tunge feltteleskopet sitt og kan se fuglen klart selv om den er en hel kilometer unna. Den andre fuglekikkeren, kalt Sporty Spice, tar med seg en enkel og lett jaktkikkert, krysser dalen og klatrer opp i et høyt tre bare 284 meter unna fuglen. Når hun er så nærme gjør det ikke noe at kikkerten ikke er av aller høyeste kvalitet. Fra toppen av treet kan hun dessuten studere fuglens hodefjær ovenfra.

Den siste fuglekikkeren, den nokså distré dr. Parker, har glemt å ta med seg kikkert. Han gjemmer seg derfor bak en busk bare 46 meter unna fuglen, og satser på at han kan undersøke fuglen bare ved å bruke sin egen hørsel og luktesans. Hvem har valgt den beste observasjonsstrategien?

På vei mot Sola

Fram til ganske nylig har romteleskoper som studerer Sola, blitt plassert i bane i Jordas nabolag, med en avstand fra Sola på 1 astronomisk enhet (AU). Eksempler er IRIS, Hinode og SOHO. ESA/NASAs Solar Orbiter følger en helt annen bane. Den er sendt i retning Sola for å ta bilder av Sola fra kortere avstand enn noen gang tidligere. For å komme stadig nærmere Sola får Solar Orbiter drahjelp av tyngdekraften fra Venus. Slik kan den endre banen sin uten å bruke for mye drivstoff.

Etter mange forbiflyvninger vil Solar Orbiter i 2027 være på sitt nærmeste til Sola: 0,284 AU. Dette er godt innenfor banen til Merkur. Venuspasseringene skal også brukes til å endre baneplanet til Solar Orbiter. I utgangspunktet beveger sonden seg langs ekliptikken, akkurat som Jorda. For hver passering vil vinkelen mellom baneplanet og ekliptikken øke, slik at om noen år vil vinkelen være så stor som 33°. Solar Orbiter vil da ha en bane som gjør at man for første gang kan ta bilder av Solas polområder.

Solvindmysteriet

Sola sender ikke bare ut elektromagnetisk stråling, men også en kontinuerlig strøm av ladde partikler, kalt solvinden. Selv om vi har prøvd å forstå solvinden i mer enn 100 år, vet vi ennå ikke nøyaktig hvordan den oppstår og hvordan partiklene blir akselerert opp til hastigheter som nærmer seg 800 km/s. Det vi vet, er at solvindpartiklene har elektrisk ladning og at elektrisk ladde partikler påvirkes av magnetfelter. Sola har et sterkt, komplekst og varierende magnetfelt. Forstår vi magnetfeltet, vil vi avsløre flere av solvindens hemmeligheter.

Dessverre vet vi ikke i detalj hvordan Solas magnetfelt blir til, hvordan det utvikler seg i tid eller hvordan det forandrer seg utover i Solas atmosfære. Men instrumentene til Solar Orbiter er skreddersydde for å gjøre målinger som kaster lys over sammenhengen mellom magnetfeltet og solvinden. Solas polområder spiller en helt spesiell rolle i dannelsen av solvinden. Den raskeste solvinden sendes ut fra polene, og gass som strømmer fra ekvator mot polene, er sannsynligvis med på å drive de periodiske endringene i Solas magnetfelt.

Ti instrumenter

Solar Orbiter er et avansert romobservatorium med ti instrumenter om bord. Seks fjernmålingsinstrumenter tar bilder av Sola. Siden ingen romsonde kan overleve en ferd inn i Solas indre atmosfære for å gjøre målinger der, bruker forskerne fjernmåling for å undersøke atmosfæren indirekte. For å forstå hvordan Solas atmosfære er bygd opp hele veien fra fotosfæren og ut til den hete koronaen, trenger vi bilder tatt i mange forskjellige bølgelengder. Fjernmålingsinstrumentene kan ta bilder i synlig lys, ultrafiolett lys og røntgenstråler. Blant fjernmålingsinstrumentene er SPICE, som tar bilder av spekteret til Sola og som norske solfysikere er involvert i.

Fire in situ-instrumenter undersøker solvinden og magnetfeltet direkte, slik de er på stedet, like ved romfartøyet.
Så kommer det geniale: Ved å kombinere fjernmåling og in situ-målinger får man først bilder av soleksplosjoner, gasskyer som sendes ut i rommet, sjokkbølger i atmosfæren og områder som man mistenker er kilder til solvinden. Deretter får man etter få minutter målinger av hvordan fenomenene har påvirket hastigheten, temperaturen, tettheten, magnetfeltet og sammensetningen av vinden idet den farer forbi romsonden.
Hver for seg vil de ti instrumentene kunne gi oss ny kunnskap om Sola. Men brukt sammen vil de garantert gi oss svar på mange uløste spørsmål – og sannsynligvis gi oss mange nye.

Back in black

Når Solar Orbiter er bare 0,284 AU fra Sola er den utsatt for like mye stråling som vi på Jorda hadde vært hvis vi hadde kunnet se opp på en himmel med 13 soler! Fjernmålingsinstrumentene gjemmer seg derfor bak et kraftig varmeskjold, med bare en liten luke for hvert instrument som kan åpnes når Sola skal fotograferes.

Det ytterste titanlaget av varmeskjoldet er dekket av et syltynt sjikt med en kullsvart substans kalt «Solar Black», utrolig nok lagd av forkullede beinrester! Det kan synes merkelig å kle seg i sort når man bader i varmen fra 13 soler, men «Solar Black» oppfyller kravene som stilles til et slikt varmeskjold: I tillegg til å absorbere den intense strålingen fra Sola for så å sende den ut igjen som varmestråling, flaker ikke stoffet av når det blir utsatt for UV-stråling over lang tid.

Litt bedre enn ISDN

Når dette skrives, er Solar Orbiter på den andre sida av Sola, nesten 1,4 AU fra Jorda. For å overføre store mengder data over slike avstander, trengs en stor og energikrevende sender. «Stor» og «energikrevende» lar seg vanskelig kombinere med et romfartøy der alt bør være så lett og energigjerrig som mulig. Antennene til Solar Orbiter må derfor være beskjedne, og når sonden er 1,4 AU unna oss, klarer den derfor bare å sende data med en rate på rundt 75 kbit/s. Det er ikke stort raskere enn ISDN-linjene vi måtte ta til takke med på 1990-tallet.

Denne kapasiteten skal attpåtil fordeles på ti instrumenter! Fjernmålingsinstrumentene har derfor svært strenge grenser for hvor ofte og hvor mye de kan observere. Mens jordnære romobservatorier gjerne kan observere 24/7, får Solar Orbiter-instrumentene i utgangspunktet bare lov til å ta bilder i seks tidagersperioder hvert år.

Orbiter vil ha mer – Parker mest

Solar Orbiter trosser intens solstråling og hete for å komme så nær Sola som 0,284 AU. Dette er allikevel bare barnemat i forhold til hva NASAs romsonde Parker Solar Probe er utsatt for. På sitt nærmeste vil Parker være 0,046AU fra Sola, det vil si omtrent ni solradier! Hastigheten til sonden vil komme opp i 200 km/s (0,064% av lyshastigheten), noe som med god margin gjør Parker til det raskeste menneskelagde objektet noensinne.

Bak det mer enn 11 cm tykke varmeskjoldet som tåler temperaturer opp mot 1400 °C, skjuler det seg tre in situ-instrumenter som måler elektromagnetiske felter og solvindpartikler. Om bord fins det også et fjernmålingsinstrument, men for ikke å smelte tar dette teleskopet bare bilder av gass utenfor solskiva.

… og alle var enige om at det hadde vært en fin tur

Hvem valgte den beste observasjonsstrategien av Iris, Sporty Spice og dr. Parker? Er det smartest å ta bilder døgnet rundt fra 1 AU? Eller ta bilder fra 0,284 AU og fra et skrått baneplan, med begrenset dataoverføringsrate og kommunikasjon? Eller la være å ta bilder, men heller måle solvind og partikler fra 0,046 AU?

Svaret er som alltid samarbeid. Parker Solar Probes direktemålinger er vanskelige å tolke hvis man ikke også kan se hvordan Sola ser ut. Solar Orbiters observasjoner er lettere å forstå hvis man vet hva Parker kan fortelle om forholdene like utenfor Solas atmosfære. Observasjonene som IRIS, Hinode og SOHO gjør i nærheten av Jorda får enda større verdi når man kan supplere med målinger tatt i to avstander nærmere Sola. Og sist, men ikke minst, Solar Orbiters unike bilder av Solas polområder er koronaen på verket.

Les flere spennende artikler om aktuell solforskning i Astronomi nr. 2

Meld deg inn her.