Novinky
Solar Orbiter - evropská mise ke Slunci s českou účastí
Sonda Solar Orbiter Evropské kosmické agentury (ESA) se na cestu ke Slunci vydá v začátku příštího týdne. Je prvním a hned velmi viditelným úspěchem členství České republiky v ESA a také české účasti na vědeckých misích ESA. Podle plánu má odstartovat z Floridy 10. února v 5:03 našeho času (tedy 9. února ve 23:03 východoamerického času) pomocí nosné rakety Atlas V 411. Na přípravě čtyř z deseti přístrojů na palubě sondy se podílely české instituce.
Start sondy Solar Orbiter, který byl původně plánován na rok 2017, byl po řadě odkladů stanoven na 6. února 2020 a v posledních 14 dnech ještě dvakrát posunut (mj. kvůli počasí na Floridě) na pondělní brzké ráno našeho času. Tato evropská sonda (ve spolupráci ESA s NASA) určená k pozorování a výzkumu Slunce, sluneční koróny a slunečního větru, bude následovat americkou sondu Parker Solar Probe (NASA), která se ke Slunci vydala již v roce 2018 a sluneční fyzikové právě analyzují první získaná data. Solar Orbiter doplní její měření slunečního větru především o pozorování Slunce kamerami a dalekohledy ve viditelné, ultrafialové i rentgenové části spektra z blízké vzdálenosti. Tento požadavek vědců značně ztížil přípravu sondy, protože sonda poletí do oblasti vysokého žáru a její tepelný štít ji musí nejenom chránit, ale zároveň umožňovat otevírání krytek pro přímé pozorování Slunce. Kamery Solar Orbiteru budou snímkovat naší hvězdu přes malé otvory v 30 cm tlustém tepelném štítu, který bude chránit sondu proti vysokým teplotám a nepřetržitému působení vysoce nabitých částic slunečního větru. Většinu materiálu štítu tvoří hliník, na čelní straně je pak titanová fólie. Štít se skládá z několika vrstev, přičemž z jeho 30 cm tloušťky zabírá nejvíce prostoru prázdné místo. Konstrukci tvoří čelní plát (hliník a titanová fólie), dále 25 cm mezera, další plát a boční radiátory, další menší mezera a teprve pak tělo sondy. Zatímco vnější část tepelného krytu bude odolávat teplotám 520 stupňů Celsia, vnitřní části budou pracovat při teplotě okolo 50 stupňů a okolní prostředí studeného vesmíru bude mít teplotu mínus 170 stupňů Celsia.
Celková hmotnost sondy: 1800 kg
Rozpětí (se slunečními panely): 18 m
10 vědeckých přístrojů, z toho na čtyřech najdeme český podíl
Ke Slunci se přiblíží na vzdálenost menší než obíhá planeta Merkur.
Naprostým unikátem, který vnese sonda Solar Orbiter do poznání naší nejbližší a životodárné hvězdy, bude pozorování obou slunečních pólů. To se stane v historii poprvé, dosud jsme neměli možnost je spatřit. Mise sondy Solar Orbiter bude znamenat zásadní posun ve výzkumu naší nejbližší hvězdy.
Americká sonda Parker Solar Probe a evropská sonda Solar Orbiter se tak velmi vhodně doplní. Navíc sluneční fyzikové budou moci kombinovat data z nového a pro pozorování Slunce současně největšího pozemního teleskopu Daniela K. Inouye umístěného na Hawaji s těmito dvěma sondami.
Česká účast na Solar Orbiteru byla podpořena Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy, v rámci programu PRODEX a Ministerstvem dopravy (Odbor inteligentních dopravních systémů, kosmických aktivit a výzkumu, vývoje a inovací). V současné době jsou aktivity Akademie věd ČR na přípravě mise realizovány v rámci Strategie AV21 - programu "Vesmír pro lidstvo".
O českém podílu na přístrojích STIX, RPW, METIS a SWA, jejichž letové kusy byly úspěšně předány do ESA již v roce 2017, referujeme níže.
Základní fakta o misi ESA Solar Orbiter - cíle a vědecký program
Tato vědecká mise Evropské kosmické agentury (ESA) je součástí programu pod názvem Cosmic Vision (2015-2025) jako mise střední velikosti (M-class). Její realizace byla schválena v roce 2011 a její start je nyní plánován na únor 2020.
Cílem kosmické sondy Solar Orbiter je komplexní studium Slunce a vnitřní heliosféry z bezprostřední vzdálenosti a tedy s vysokým rozlišením. Ke Slunci se má každého půl roku přibližovat až na vzdálenost asi 60 slunečních poloměrů (0.28 astronomické jednotky), tedy blíže než planeta Merkur. Pomocí opakovaných průletů kolem Země a planety Venuše se bude sklon oběžné dráhy sondy postupně zvětšovat až na velikost 30 stupňů k ekliptice. Solar Orbiter tak získá světové prvenství unikátním pozorováním oblastí kolem obou slunečních pólů se současným měřením vlastností prostředí, kterým bude prolétat. V okamžicích největšího přiblížení bude sonda nucena odolávat 13x většímu toku záření ve srovnání s tokem dopadajícím na Zemi.
Deset palubních přístrojů sondy má objasnit tyto čtyři základní otázky:
- Co způsobuje sluneční vítr a jak vzniká koronální magnetické pole?
- Jak sluneční jevy řídí heliosférickou variabilitu?
- Jak sluneční erupce produkují energetické částice, které se šíří heliosférou?
- Jak pracuje sluneční dynamo a řídí spojení mezi Sluncem a heliosférou?
Aby bylo možno naměřit dostatečné množství nových fyzikálních údajů (nominální pozorovací fáze bude trvat 6 let s možností prodloužení o dalších až 5 let), musí sonda i přístroje “přežít” obrovské teplotní zatížení i vysokou radiaci nabitých částic. Cesta od startu na finální dráhu kolem Slunce potrvá téměř 2 roky a během této doby bude probíhat pouze “in situ” pozorování částic slunečního větru, polí a vln v okolí sondy. Následně, po dosažení cílové dráhy, se přidají další přístroje, které budou opakovaně snímkovat celý sluneční disk, ale i jeho vybrané oblasti nebo sluneční korónu. Rychlost pohybu sondy se na určitých úsecích dráhy bude blížit k rotační rychlosti Slunce (bude ko-rotovat se Sluncem, ale rychlost oběhu bude větší než rychlost rotace Slunce). To umožní delší stabilní pozorování vybraných oblastí a zároveň přímé měření vlastností slunečního větru, který v těchto oblastech vzniká. Pravidelná měření lokálního prostředí budou zahájena v březnu až květnu 2020, fotografování Slunce až o dva roky později, až se sonda dostatečně přiblíží ke Slunci.
Česká republika se prostřednictvím vědeckých pracovišť a vybraných firem podílela na vývoji a výrobě čtyř vědeckých přístrojů z deseti umístěných na palubě této sondy – METIS, STIX, RPW a SWA. Samotná meziplanetární sonda byla konstruována a testována ve společnosti Airbus Space and Defence ve Velké Británi
Přístroj STIX
STIX = Spektrometr - teleskop pro zobrazení rentgenových zdrojů. Je jedním z deseti vědeckých přístrojů na palubě sondy Solar Orbiter. STIX umožňuje zobrazení těchto zdrojů v tvrdé rentgenové oblasti (5-150 keV) s vysokým prostorovým, spektrálním i časovým rozlišením. Využívá k tomu mozaiku 32 speciálních mřížek z wolframu spolu se stejně velkou mozaikou cadmium-teluridových detektorů. V tomto uspořádání je obraz rozložen do Fourierovských komponent a telemetricky přenesen na Zemi, kde se počítačově vytváří obraz zdroje. Zaměřením na Slunce je takto vytvořen výkonný přístroj, umožňující studium fyzikálních procesů ve slunečních erupcích a v dalších energetických jevech ve sluneční atmosféře.
Přístroj Metis
Jedná se o koronograf pro studium koróny, eruptivních procesů v koróně (tzv. výrony koronální hmoty - CME) a slunečního větru. Jeho koncepce navazuje na velmi úspěšný koronograf UVCS ještě donedávna pracující na satelitu ESA SOHO a na další kosmický koronograf LASCO též umístěný na SOHO. Původně měl Metis obsahovat i UV spektrograf, bohužel ale z důvodu velké finanční náročnosti byla jeho koncepce omezena na zobrazovací techniku v UV oblasti pomocí filtru ve spektrální čáře vodíku Lyman-alfa a v optické oblasti pomocí širokopásmového filtru. Simultánní pozorování koróny a procesů v ní pomocí těchto dvou filtrů bude první svého druhu a mělo by poskytnout unikátní data. Pro jejich analýzu se již dnes připravuje komplexní vědecká metodika, na níž se aktivně podílí i Astronomický ústav AV ČR. Koronograf je v podstatě dalekohled, který zastíní světlo slunečního disku a tím se docílí daleko vyššího kontrastu při pozorování slabě zářící koróny. Klíčové optické elementy tohoto dalekohledu, tj. zobrazovací zrcadla, byla vyvinuta a vyrobena v České republice v laboratořích TOPTEC (Turnov), které jsou součástí Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Zejména v UV oblasti jsou na přesnost této optiky kladeny mimořádné nároky. Česká účast v mezinárodním konsorciu Metis byla a je nadále koordinována Astronomickým ústavem AV ČR, který garantuje vědeckou stránku projektu. Na české straně je projekt financován v rámci programu ESA-PRODEX.
Přístroj RPW
Přístroj RPW (Radio and Plasma Waves) je určen k měření elektromagnetického pole, plazmových a rádiových vln ve slunečním větru obklopujícím sondu Solar Orbiter. K tomuto účelu zaznamenává a zpracovává signály ze tří elektrických antén a cívkového magnetometru pomocí specializované elektroniky.
Dva ústavy Akademie věd ČR (Ústav fyziky atmosféry a Astronomický ústav) ve spolupráci s českými firmami CSRC a G. L. Electronic vyvinuly a vyrobily dvě zásadní komponenty pro tento přístroj, které v roce 2017 dodaly francouzské laboratoři LESIA se sídlem v Pařížské Observatoři v Meudonu, která projekt vede a za dodání a provoz přístroje RPW odpovídá. Kolektiv z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR vyvinul pro přístroj RPW digitální přijímač elektromagnetických vln TDS (Time Domain Sampler), který bude zaznamenávat elektromagnetický signál a v naměřených digitalizovaných datech dokáže samostatně identifikovat zajímavé úseky, kdy přístroj zachytil například plazmové vlny nebo dopady částic meziplanetárního prachu. Tyto úseky potom odešle na zem pro další analýzu a tak dokáže podstatně lépe využít omezený objem dat, který může sonda na zem odeslat.
Druhou elektronickou jednotkou přístroje RPW vyvinutou v Akademii věd, tentokrát v Astronomickém ústavu, je zdroj napájení LVPS-PDU (Low Voltage Power Supply - Power Distribution Unit). Jejím úkolem je regulovat dodávky elektrické energie ze solárních panelů, měřit telemetrické údaje o spotřebě celého experimentu RPW a především filtrovat škodlivé elektromagnetické rušení. Přístroje umístěné na sondě jsou natolik citlivé, že v případě nasazení standardních modulárních napájecích zdrojů běžně používaných pro telekomunikační satelity by jejich silné rušení zcela znehodnotilo vlastní vědecká měření. Mnoho částí napájecí jednotky (LVPS-PDU) je rovněž z důvodů zvýšení spolehlivosti zdvojených nebo elektricky izolovaných tak, aby v případě selhání ostatních systémů mohlo k měření docházet alespoň s omezeným počtem vědeckých senzorů.
Spolupráce Akademie věd s Univerzitou Karlovou, přístroj SWA na palubě Solar Orbiteru
SWA je anglickou zkratkou pro Solar Wind Analyzer, tedy analyzátor slunečního větru. Sluneční vítr je proud nabitých částic (iontů - především protonů a alfa částic, a elektronů), které rychlostí několika set kilometrů za sekundu unikají z horké sluneční koróny do meziplanetárního prostoru. Solar Wind Analyzer je tvořen třemi základními bloky sensorů a společnou jednotkou pro zpracování dat (DPU), které vyvinulo a dodalo konsorcium vědeckých institucí pod vedením Mullard Space Science Laboratory, University College London (MSSL) z Velké Británie.
Blok PAS (Proton and Alpha Sensor) bude měřit 2D a 3D rychlostní rozdělení protonů a alfa částic o energiích 70 eV až 20 keV s časovým rozlišením 4 s (v omezených časových intervalech až 67 ms), jeho garantem je francouzský Ústav pro astrofyzikální a planetární výzkum (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie, IRAP) v Toulouse. Skupina kosmické fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy pro blok PAS vyvinula desku vstupní elektroniky detektorů a vysokonapěťových zdrojů. Blok EAS (Electron Analyzer Systems) určený ke studiu rychlostního rozdělení elektronů ve slunečním větru s energiemi 1 eV – 5 keV s vysokým rozlišením (1 s pro 3D rozdělení, 125 ms pro pitch-úhlové rozdělení) dodala MSSL. Blok HIS (Heavy Ion Sensor) vyvinula skupina amerických institucí pod vedením Southwest Research Institute a bude sloužit ke studiu prvkového složení, ionizačních stavů a 3D rychlostního rozdělení těžších iontů slunečního větru (He – Fe, 0,5 – 18 keV/q, u klíčových iontů He, C, O, Fe až do supratermálních energií 70 keV/q). Konečně řídící jednotku DPU dodalo sdružení italských firem a institucí pod vedením Instituto di Astrofizica e Planetologia Spaziali (IAPS).
Protože unášivá rychlost iontů slunečního větru je několikanásobně vyšší než rychlost družice, postačuje blokům PAS a HIS jen menší zorné pole s výhledem na Slunce. Aby byly bloky chráněny před spalujícím tepelným zářením Slunce, jsou namontovány na přední straně sondy za jejím tepelným štítem a jejich vstupní štěrbiny jen vyhlížejí zpoza výřezů v rozích štítu. Vstupní části opatřené pomocnými tepelnými štíty pak propouštějí samotné sluneční paprsky volně skrz přístroje, zatímco ionty jsou elektrickým pole odkláněny dovnitř analyzátorů. V tom je koncepce bloků zcela nová proti předchozím řešením obvykle montovaných na rotující družice.
Elektrony jsou naopak mnohem rychlejší než sonda Solar Orbiter a přicházejí ze všech směrů. Proto blok EAS potřebuje výhled do plného prostorového úhlu. Aby samotná sonda nestínila příchozí elektrony a zároveň blok EAS byl chráněn před slunečním zářením, jsou dva jeho analyzátory namontovány na konci výklopného ramene ve stínu sondy.
Deska vstupní elektroniky SWA-PAS vyvinutá na MFF UK ve spolupráci s CGC-Instruments zahrnuje nosné prvky, kolektory a nábojově citlivé vstupní zesilovače pro 11 keramických kanálotronů (CEM, Channel Electron Multiplier) – detektorů nabitých částic, a také dvojici vysokonapěťových zdrojů 300 V – 4 kV pro napájení CEM. Na výrobě a testování se podílely i české společnosti G.L. Electronic a Výzkumný a zkušební letecký ústav. Ostatní součásti bloku PAS (deflektor a elektrostatický analyzátor s příslušnými vysokonapěťovými zdroji, elektroniku nízkonapěťového měniče a číslicového řízení) zabezpečoval IRAP.
Podílem na bloku SWA-PAS financovaným z českého příspěvku do programu ESA PRODEX získala Česká republika přímou účast v prestižním mezinárodním projektu/vědeckém konsorciu, rozšířila se spolupráce českých vědců s novými zahraničními i tuzemskými vědeckými laboratořemi a průmyslovými subjekty. Tato kooperace přinesla i další zkušenosti s vývojem kosmických přístrojů dle standardů ESA a CNES, možnost uplatnění nových technologií v návrhu kosmických přístrojů (konstrukce VN zdrojů s vysokou účinností) a sdílení know-how se zahraničními partnery. V neposlední řadě jsme získali pozvání k účasti na dalších kosmických projektech. Při zpracování a interpretaci dat sondy Solar Orbiter vědci z Matematicko-fyzikální fakulty UK počítají i s pokračováním přímé spolupráce s dalšími účastníky mise Solar Orbiter z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR a Astronomického ústavu AV ČR.
Odkazy:
Informace o sondě Solar Orbiter (v češtině)
Informace o sondě Solar Orbiter – Evropská kosmická agentura (v angličtině) včetně odkazů na videa a obrázky
Grafika ESA (průběh startu – bohužel se starým datem startu 7./8. února, rozmístění přístrojů na sondě, … v angličtině)
Video NASA (v angličtině)
Krátké popularizační video Akademie věd (v češtině)
Krátké popularizační video Ústavu fyziky atmosféry AV ČR (v češtině)
Přenos startu sondy (v angličtině)
Přenos startu sondy - Kosmonautix.cz na mall.tv (v češtině)
Twitter (v angličtině)
Tisková zpráva z roku 2017, kdy byly předány letové součástky z České republiky
Související výzkum Slunce (tisková zpráva)
Další česká účast na programu ESA
Kontakty a další informace:
Pavel Suchan
Tiskový mluvčí Astronomického ústavu AV ČR a tiskový tajemník programu Vesmír pro lidstvo (poskytne spojení na jednotlivé respondenty)
Email: suchan@astro.cz
Tel: +420 737 322 815