Nasza gwiazda, Słońce, jest niewyczerpanym źródłem energii i życia, ale jednocześnie najpotężniejszym akceleratorem cząstek w naszym układzie. W skomplikowanych procesach zachodzących głęboko w jego atmosferze, Słońce nieustannie wyrzuca w przestrzeń kosmiczną ogromne ilości cząstek energetycznych. Wśród nich szczególnie wyróżniają się tak zwane słoneczne elektrony energetyczne (SEE), cząstki subatomowe przyspieszone do prędkości bliskich prędkości światła. Długo uważano, że te elektrony są zjawiskiem unikalnym, ale rewolucyjne odkrycia misji Solar Orbiter, prowadzonej przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA) we współpracy z NASA, ujawniły, że prawda jest znacznie bardziej złożona. Naukowcom udało się rozdzielić ten strumień cząstek na dwie fundamentalnie różne grupy, z powodzeniem śledząc każdą z nich do jej konkretnego źródła na Słońcu.

To odkrycie nie tylko pogłębia nasze zrozumienie fundamentalnej fizyki Słońca, ale ma również bezpośrednie i kluczowe implikacje dla przewidywania pogody kosmicznej – zjawiska, które może mieć niszczycielskie konsekwencje dla naszej cywilizacji technologicznej, od satelitów na orbicie po sieci energetyczne na Ziemi. Poprzez precyzyjne mapowanie pochodzenia tych superszybkich elektronów, otwieramy nowy rozdział w ochronie naszej infrastruktury i przyszłych misji kosmicznych.

Odsłanianie tajemnic Słońca z bliska

Kluczem do tego epokowego odkrycia są unikalne zdolności sondy kosmicznej Solar Orbiter. W przeciwieństwie do poprzednich misji, które obserwowały Słońce z większej odległości, eliptyczna orbita Solar Orbitera przybliża go niewiarygodnie blisko naszej gwiazdy, chwilami wewnątrz orbity Merkurego. Właśnie ta bliskość pozwala naukowcom analizować cząstki w ich „nieskazitelnym” stanie, zanim ich trajektorie i energia zostaną znacznie zmienione przez długą podróż przez przestrzeń międzyplanetarną. Obserwacja wydarzeń z tak bliskiej odległości pozwoliła zespołowi z niezwykłą precyzją określić dokładny czas i miejsce ich powstania na Słońcu.

Alexander Warmuth z Instytutu Astrofizyki im. Leibniza w Poczdamie (AIP), główny autor badania, podkreśla znaczenie tego podejścia: „Udało nam się zidentyfikować i zrozumieć te dwie grupy, obserwując setki zdarzeń w różnych odległościach od Słońca za pomocą wielu instrumentów – coś, co może zrobić tylko Solar Orbiter. Bliskość Słońca pozwoliła nam zmierzyć cząstki w ich wczesnym, pierwotnym stanie i w ten sposób precyzyjnie zlokalizować ich źródło.”

Dwa rodzaje słonecznych burz elektronowych

Analizując dane zebrane podczas ponad 300 pojedynczych zdarzeń między listopadem 2020 a grudniem 2022 roku, naukowcy zauważyli wyraźny podział. Z jednej strony są zdarzenia „impulsywne”, a z drugiej „stopniowe”.

Zdarzenia impulsywne są związane z rozbłyskami słonecznymi. Rozbłyski słoneczne to nagłe i intensywne eksplozje na powierzchni Słońca, które uwalniają ogromną ilość energii w postaci promieniowania. Elektrony pochodzące z tych zdarzeń są wyrzucane ze Słońca w szybkich, krótkotrwałych seriach. Możemy je sobie wyobrazić jako ostre, skoncentrowane strzały cząstek energetycznych.

W przeciwieństwie do tego, zdarzenia stopniowe są związane z znacznie większymi i długotrwałymi zjawiskami znanymi jako koronalne wyrzuty masy (CME). CME to gigantyczne obłoki plazmy i pola magnetycznego, które odrywają się od atmosfery Słońca, korony, i podróżują przez kosmos. Elektrony związane z CME są uwalniane przez dłuższy okres czasu, tworząc szerszą i dłuższą falę cząstek, która zalewa Układ Słoneczny. Chociaż naukowcy już wcześniej byli świadomi istnienia tych dwóch rodzajów zdarzeń, Solar Orbiter po raz pierwszy dostarczył niepodważalnych dowodów, które bezpośrednio łączą je z ich różnymi źródłami na Słońcu.

Synergia instrumentów: Klucz do sukcesu

To badanie stanowi najobszerniejsze jak dotąd studium słonecznych elektronów energetycznych, a jego sukces leży w skoordynowanym wykorzystaniu aż ośmiu z dziesięciu instrumentów naukowych na pokładzie Solar Orbitera. Misja została zaprojektowana tak, aby jednocześnie przeprowadzać dwa rodzaje pomiarów: teledetekcję i pomiary in situ.

Instrumenty teledetekcyjne, takie jak EUI (Extreme Ultraviolet Imager) i STIX (Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays), nieustannie monitorują powierzchnię i atmosferę Słońca, rejestrując szczegóły rozbłysków słonecznych w zakresie ekstremalnego ultrafioletu i promieni rentgenowskich. Jednocześnie koronograf Metis blokuje oślepiające światło tarczy słonecznej, aby obrazować zewnętrzną, rzadszą koronę, umożliwiając bezpośrednią obserwację wspaniałych koronalnych wyrzutów masy.

Podczas gdy te instrumenty „patrzą” na Słońce, detektor cząstek energetycznych (EPD) wykonuje pomiary in situ, co oznacza, że sonda dosłownie przelatuje przez chmury elektronów, które obserwuje. EPD analizuje ich skład, energię i kierunek ruchu. Frederic Schuller, współautor badania z AIP, podkreśla: „Po raz pierwszy wyraźnie zobaczyliśmy to połączenie między elektronami energetycznymi w kosmosie a zdarzeniami na Słońcu, które są ich źródłem. Mierzyliśmy cząstki in situ, podczas gdy inne instrumenty jednocześnie obserwowały, co dzieje się na Słońcu, zbierając również dane o środowisku kosmicznym między Słońcem a sondą.”

Rozwiązanie zagadki opóźnienia czasowego

Jedną z długoletnich tajemnic fizyki słonecznej było pozorne opóźnienie między momentem, w którym astronomowie obserwują rozbłysk słoneczny lub CME, a momentem, w którym energetyczne elektrony docierają do detektora w kosmosie. W niektórych skrajnych przypadkach wydawało się, że cząstkom potrzeba godzin, aby „uciec” ze Słońca. Pytanie brzmiało: dlaczego?

Dane z Solar Orbitera teraz oferują odpowiedź. Laura Rodríguez-García, pracownik naukowy ESA, wyjaśnia: „Okazuje się, że to opóźnienie jest przynajmniej częściowo związane ze sposobem, w jaki elektrony podróżują przez kosmos. Może wystąpić opóźnienie w samym uwolnieniu, ale także opóźnienie w detekcji.” Mianowicie, przestrzeń między Słońcem a planetami nie jest pusta. Jest wypełniona wiatrem słonecznym, ciągłym strumieniem naładowanych cząstek płynących ze Słońca, niosącym ze sobą pole magnetyczne Słońca. Elektrony na swojej drodze napotykają turbulencje w wietrze słonecznym, są rozpraszane w różnych kierunkach i nie poruszają się po linii prostej. Ich trajektoria jest chaotyczna i znacznie dłuższa niż linia prosta. Im dalej obserwator znajduje się od Słońca, tym efekty te się kumulują, a opóźnienie w detekcji staje się większe.

Znaczenie dla prognozowania pogody kosmicznej i bezpieczeństwa na Ziemi

To fundamentalne odkrycie naukowe ma ogromne znaczenie praktyczne. Zrozumienie i przewidywanie pogody kosmicznej jest kluczowe dla bezpieczeństwa naszej technologii. Rozróżnienie dwóch rodzajów zdarzeń SEE jest kluczowe dla dokładnego prognozowania. Zdarzenia związane z koronalnymi wyrzutami masy (CME) stanowią znacznie większe zagrożenie. Niosą one większą liczbę cząstek o wysokiej energii i mogą powodować poważne uszkodzenia satelitów, zagrażać zdrowiu astronautów, narażając ich na niebezpieczne poziomy promieniowania, a na Ziemi powodować burze geomagnetyczne, które mogą wyłączać sieci energetyczne i systemy komunikacyjne.

Daniel Müller, naukowiec projektu ESA dla Solar Orbitera, zaznacza: „Wiedza taka jak ta z Solar Orbitera pomoże w przyszłości chronić inne statki kosmiczne, pozwalając nam lepiej zrozumieć energetyczne cząstki ze Słońca, które zagrażają naszym astronautom i satelitom.” Zdolność do szybkiego ustalenia na podstawie pierwszych wykrytych cząstek, czy pochodzą one ze stosunkowo nieszkodliwego rozbłysku, czy z potencjalnie katastrofalnego CME, mogłaby zapewnić cenny czas na podjęcie środków ochronnych.

Przyszłość obserwacji Słońca: Misje Vigil i Smile

Wnioski z Solar Orbitera to dopiero początek nowej ery w zrozumieniu Słońca. ESA już planuje przyszłe misje, które będą opierać się na tych odkryciach. Misja Vigil, której start planowany jest na 2031 rok, zastosuje rewolucyjne podejście. Zostanie umieszczona w miejscu, z którego po raz pierwszy w historii będzie mogła operacyjnie obserwować „bok” Słońca. Pozwoli jej to wykrywać potencjalnie niebezpieczne zdarzenia słoneczne, takie jak aktywne regiony podatne na CME, na kilka dni przed tym, zanim w wyniku rotacji Słońca zwrócą się w stronę Ziemi, dając nam bezcenne wczesne ostrzeżenie.

Nasze zrozumienie reakcji Ziemi na burze słoneczne zostanie dalej zbadane wraz z wystrzeleniem misji ESA Smile, planowanej na 2026 rok. Smile będzie badać, jak Ziemia radzi sobie z ciągłym wiatrem słonecznym i okazjonalnymi uderzeniami potężnych cząstek, badając interakcję tych cząstek z naszym ochronnym polem magnetycznym. Razem te misje stworzą kompleksowy system monitorowania i ochrony przed kaprysami naszej gwiazdy.