Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) ma za sobą niezwykle intensywny rok, w którym misja Proba-3 przekształciła się z eksperymentalnego projektu precyzyjnego lotu w formacji w praktyczną „maszynę do zaćmień Słońca na żądanie”. Dwa małe satelity, które od grudnia 2024 roku latają po wspólnej orbicie wokół Ziemi, od tego czasu zrealizowały już ponad 50 sztucznych zaćmień Słońca w kosmosie i zgromadziły około 250 godzin ciągłych obserwacji atmosfery słonecznej. To właśnie te dane wypełniają kluczową lukę w naszym zrozumieniu najbardziej zagadkowej części atmosfery słonecznej – korony wewnętrznej.

Do czasu pojawienia się Proba-3 badacze musieli polegać na kombinacji instrumentów, które niezawodnie rejestrują powierzchnię Słońca i daleką koronę zewnętrzną, podczas gdy obszar pomiędzy nimi był objęty jedynie fragmentarycznie i sporadycznie. Pełny widok korony był możliwy do uzyskania głównie tylko podczas krótkich naturalnych całkowitych zaćmień Słońca, kiedy Księżyc na kilka minut zasłania tarczę słoneczną. Proba-3 teraz reprodukuje to naturalne zjawisko na orbicie – niezależnie od położenia Księżyca, warunków pogodowych i geografii, i to z orbity, która umożliwia wielogodzinne, powtarzalne zaćmienia.

Jak duet Proba-3 tworzy zaćmienie Słońca na orbicie

Proba-3 to pierwsza misja ESA demonstrująca precyzyjny lot w formacji dwóch satelitów z dokładnością do jednego milimetra. Na orbicie o szczytowej wysokości około 60 500 kilometrów dwa statki kosmiczne – Coronagraph i Occulter – latają oddzielone o około 150 metrów, ale zachowują się jak jeden teleskop rozciągnięty w kosmosie. Na platformie Occulter znajduje się okrągła tarcza o średnicy 1,4 metra, która służy systemowi jako sztuczny Księżyc: blokuje ona oślepiające światło widzialne tarczy słonecznej i rzuca wąski, precyzyjnie skierowany stożek cienia na drugi satelita, Coronagraph, na którym umieszczony jest główny instrument ASPIICS.

Kiedy oba satelity, przez wiele godzin, ustawią się w jednej linii ze Słońcem, cień o średnicy zaledwie kilku centymetrów idealnie pokrywa otwór instrumentu. W ten sposób ASPIICS uzyskuje to, co jest kluczem do każdego dobrego zdjęcia koronograficznego – bardzo ciemną „sztuczną noc” w środku dnia, w której uwidacznia się słaby, ale fizycznie niezwykle ważny blask korony. Cała sztuczka udaje się dzięki połączeniu odbiorników GPS, laserowych mierników odległości, trackerów gwiazd i łącz radiowych, które komputerom na satelitach pozwalają autonomicznie utrzymywać zadaną formację bez stałych komend z Ziemi.

Okres orbitalny misji wynosi około 19 godzin i 40 minut, a na każdej orbicie satelity mogą wejść w precyzyjne wyrównanie i utrzymywać sztuczne całkowite zaćmienie do sześciu godzin. Naturalne całkowite zaćmienia Słońca zdarzają się średnio raz w roku (i to tylko z wąskiego pasa na powierzchni Ziemi) oraz trwają zaledwie kilka minut. Proba-3, przeciwnie, reprodukuje ten warunek co około dwadzieścia godzin – praktycznie za każdym razem, gdy społeczność naukowa o to poprosi – oferując przy tym wielokrotnie dłuższy okres całkowitości.

Wypełnianie krytycznej luki w obserwacji korony słonecznej

Największa wartość naukowa misji wynika z faktu, że Proba-3 celuje właśnie w strefę, w której tradycyjne obserwacje mają największą „martwą plamę”. Klasyczne koronografy kosmiczne, w których tarcza do zasłaniania Słońca i teleskop znajdują się na tej samej platformie, są zazwyczaj ograniczone wewnętrzną granicą pola widzenia – zbyt blisko Słońca po prostu wpada zbyt dużo światła rozproszonego w optyce. Z drugiej strony, kamery ekstremalnego ultrafioletu na satelitach solarnych dają doskonałe szczegóły powierzchni i bardzo niskiej korony, ale nie chwytają struktur rozciągających się na zewnątrz na kilka promieni słonecznych.

Wynikiem tego jest fakt, że obszar między około 1,1 a 2 promieniami słonecznymi nad powierzchnią przez dziesięciolecia pozostawał najsłabiej pokryty obserwacjami. Właśnie tam wiatr słoneczny przyspiesza do prędkości kilkuset kilometrów na sekundę, a wiele koronalnych wyrzutów masy (CME) – gigantycznych chmur plazmy i pola magnetycznego – formuje się i oddziela od Słońca. Proba-3 dzięki swojej koncepcji „rozciągniętego” koronografu oddziela przesłonę i teleskop na dwie platformy i w ten sposób drastycznie zmniejsza ilość światła rozproszonego wpadającego do instrumentu. ASPIICS może patrzeć na koronę praktycznie od samej krawędzi tarczy słonecznej, do odległości kilku promieni słonecznych, w jednym nieprzerwanym kadrze.

Dla naukowców zajmujących się fizyką Słońca oznacza to, że mogą śledzić, jak struktury magnetyczne i plazma zmieniają kształt i energię od powierzchni aż po koronę zewnętrzną. Szczególnie ważna jest wieloletnia zagadka, dlaczego korona jest rozgrzana do ponad miliona stopni Celsjusza, podczas gdy widzialna powierzchnia Słońca, fotosfera, ma „zaledwie” około 5800 K. Jednocześnie szczegółowy wgląd w region, gdzie wiatr słoneczny nabiera przyspieszenia, jest kluczowy dla zrozumienia prognozy pogody kosmicznej, ponieważ te same procesy, które napędzają wiatr, stoją również za najsilniejszymi burzami geomagnetycznymi.

Pierwsze zdjęcia: ciągły widok od powierzchni do wysokiej korony

Już pierwsze fazy pracy ASPIICS pokazały, co potrafi Proba-3. ESA w czerwcu 2025 roku opublikowała pierwsze zdjęcia korony wewnętrznej wykonane podczas sztucznego całkowitego zaćmienia, w tym spektakularne ujęcie z 23 maja 2025 roku, na którym korona świeci na zielonkawo – dokładnie tak, jak widziałoby ją ludzkie oko podczas całkowitego zaćmienia, obserwowane przez odpowiedni filtr. W tym „zamrożonym” kadrze wyraźnie widać cienkie nitki plazmy, łuki struktur magnetycznych i ciemniejsze wgłębienia nad aktywnymi regionami na powierzchni.

Jeszcze bardziej imponujące są obrazy poklatkowe (time-lapse), które powstają z połączenia kilku instrumentów: kamery ekstremalnego ultrafioletu SWAP na misji Proba-2, która pokazuje tarczę słoneczną i bardzo niską koronę; klasycznego koronografu LASCO C2 na misji SOHO, odpowiedzialnego za wyższą koronę; oraz ASPIICS na Proba-3, który „pokrywa” krytyczną przestrzeń pośrednią. Na takich kompozytowych animacjach koronalny wyrzut masy staje się widoczny już na krawędzi tarczy słonecznej, następnie rozprzestrzenia się przez koronę wewnętrzną, którą do tej pory było prawie niemożliwe sfilmować, i kontynuuje na zewnątrz, gdzie przejmują go instrumenty takie jak LASCO.

Dla badaczy takich jak Andriej Żukow z Królewskiego Obserwatorium Belgii, głównego badacza ASPIICS, ta „ciągła historia” jest kluczowym krokiem naprzód. Zamiast wypełniać luki modelami lub symulacjami numerycznymi, mogą teraz bezpośrednio obserwować, jak CME rodzi się, przyspiesza i zmienia kształt przez cały zakres wysokości w koronie. To nie tylko pomaga w zrozumieniu fizyki Słońca, ale także w budowaniu precyzyjniejszych modeli prognozy pogody kosmicznej, które są podstawą ochrony satelitów, systemów komunikacyjnych i sieci elektrycznych na Ziemi.

Ponad 50 sztucznych zaćmień i 250 godzin obserwacji

Od początku fazy operacyjnej misji do połowy grudnia 2025 roku Proba-3 wykonała już ponad 50 udanych sztucznych zaćmień i zrealizowała około 250 godzin obserwacji korony w warunkach całkowitości. To ilość danych, którą na Ziemi można by zgromadzić dopiero podczas tysięcy naturalnych zaćmień. ESA szacuje, że dotychczasowy zbiór obserwacji odpowiada temu, co uzyskalibyśmy, organizując około 6000 oddzielnych ekspedycji w celu obserwacji całkowitych zaćmień Słońca w różnych miejscach planety.

Rytm operacyjny misji opiera się na fakcie, że sztuczne zaćmienie można planowo powtarzać raz na każdą orbitę, czyli mniej więcej co 19,6 godziny. W ten sposób średnio można zrealizować dwa całkowite zaćmienia tygodniowo, a w dwuletnim nominalnym czasie trwania misji oczekuje się blisko 200 zaćmień i ponad tysiąca godzin całkowitości. Już w pierwszych miesiącach pracy najdłuższe pojedyncze zaćmienie trwało około pięciu godzin, a celem jest standardowe osiąganie sześciu godzin ciągłej obserwacji na każdej orbicie. Tak długotrwałe i często powtarzane „gaszenie Słońca” na orbicie nie ma precedensu w historii badań heliosferycznych.

Naturalne zaćmienia przy tym nie straciły wartości naukowej – nadal umożliwiają obserwacje z innych perspektyw, za pomocą różnych instrumentów i w różnych długościach fal. Jednak Proba-3 pokazała, że kluczowe części pracy może teraz wykonywać także w pełni autonomiczne laboratorium kosmiczne, niezależne od nieprzewidywalnego harmonogramu zaćmień na niebie. Oznacza to, że społeczność naukowa może planować kampanie obserwacyjne związane z ogłoszonymi wzmożonymi aktywnościami na Słońcu, na przykład podczas okresów zwiększonej liczby plam lub po pojawieniu się szczególnie aktywnych regionów.

Od wystrzelenia do autonomicznego lotu w formacji

Droga Proba-3 od wystrzelenia do wyrafinowanego zaplecza operacyjnego odbywała się w kilku fazach. Dwa satelity 5 grudnia 2024 roku wystartowały z indyjskiego kosmodromu Satish Dhawan na rakiecie PSLV-XL. Po wejściu na docelową wysoko eliptyczną orbitę platformy pozostały połączone mechanicznie jeszcze przez sześć tygodni, podczas których inżynierowie szczegółowo testowali wszystkie systemy. Dopiero po tym nastąpiło rozdzielenie i powolne wdrażanie lotu w formacji, najpierw z większymi odstępami i krótszymi okresami wyrównania.

W marcu 2025 roku misja zrealizowała pierwszy autonomiczny lot w formacji z odstępem 150 metrów i wielogodzinnym utrzymywaniem formacji bez aktywnego sterowania z Ziemi. Już w kolejnych tygodniach precyzja została dodatkowo poprawiona do poziomu milimetra, co jest warunkiem koniecznym, aby cień z Occultera stabilnie „trafił” w otwór ASPIICS. Po tym ruszyły pierwsze prawdziwe sztuczne całkowite zaćmienia, początkowo krótsze, potem coraz dłuższe, w miarę jak zespoły nabierały doświadczenia.

Kluczową cechą misji jest stopniowe przechodzenie na coraz wyższy poziom autonomii. Podczas pierwszych lotów w formacji zespoły na Ziemi aktywnie nadzorowały każdy manewr i były gotowe do interwencji, jeśli satelity oddalą się od zadanej geometrii. W miarę jak algorytmy nawigacji potwierdziły się w praktyce, rola kontrolerów przesuwa się na nadzór z tła – ostatecznym celem jest, aby satelity rutynowo wykonywały wyrównania i zaćmienia przy minimalnym nadzorze, co jest ważnym krokiem w kierunku przyszłych flot autonomicznych teleskopów kosmicznych.

ASPIICS: spojrzenie w samo wnętrze korony

Sercem naukowej części misji jest koronograf ASPIICS (Association of Spacecraft for Polarimetric and Imaging Investigation of the Corona of the Sun), opracowany w europejskim konsorcjum pod kierownictwem Centre Spatial de Liège z Belgii. Jest to instrument wykorzystujący klasyczną koncepcję zewnętrznej przesłony, ale dostosowujący ją do lotu w formacji: ponieważ tarcza zasłaniająca Słońce jest fizycznie umieszczona na oddzielnym satelicie, układ optyczny na Coronagraph jest narażony na znacznie mniejszą ilość światła rozproszonego.

ASPIICS może dzięki temu „zbliżyć się” do Słońca bardziej niż jakikolwiek wcześniejszy koronograf kosmiczny, obserwując struktury korony już od około 0,04 promienia słonecznego nad powierzchnią. Kamera pracuje przy tym w świetle widzialnym, w wąskim zakresie widmowym, który jest szczególnie wrażliwy na struktury plazmy i pola magnetycznego. Każde pojedyncze zdjęcie jest w rzeczywistości kombinacją trzech ekspozycji o różnym czasie trwania, od krótkich, które nie „przepalają” najjaśniejszych części, do dłuższych, które chwytają najciemniejsze fragmenty korony zewnętrznej. Przez połączenie tych ekspozycji uzyskuje się dynamicznie bogaty obraz ze szczegółami od krawędzi tarczy do końca pola widzenia.

Dane gromadzone przez ASPIICS są przetwarzane w naukowo-operacyjnym centrum zlokalizowanym w Królewskim Obserwatorium Belgii. Tam zespół ekspertów z dnia na dzień planuje nowe kampanie obserwacyjne, wysyła komendy do instrumentu oraz pobiera zdjęcia i dystrybuuje je do międzynarodowej społeczności. Już teraz okazało się, że jakość surowych danych jest tak dobra, że wiele struktur w koronie staje się widocznych nawet bez agresywnej obróbki numerycznej, co jest zachęcającym znakiem dla przyszłych analiz ilościowych.

DARA i 3DEES: pełny obraz energii słonecznej i cząstek kosmicznych

Proba-3 to nie „tylko” koronograf. Oprócz ASPIICS misja niesie jeszcze dwa instrumenty naukowe, które dopełniają obraz wpływu Słońca na otaczającą przestrzeń. Cyfrowy radiometr absolutny (DARA) mierzy całkowite napromieniowanie słoneczne – dokładniej mówiąc, ile energii w jednostce czasu Słońce wysyła w stronę Ziemi. Długoterminowe zapisy takich pomiarów są kluczowe dla zrozumienia zmian w promieniowaniu słonecznym, które mogą mieć wpływ na klimat Ziemi i górne warstwy atmosfery.

Trzeci instrument, 3D Energetic Electron Spectrometer (3DEES), koncentruje się na elektronach o wysokich energiach w pasach radiacyjnych Ziemi. Podczas gdy ASPIICS patrzy w stronę Słońca, 3DEES śledzi, jak wiatr słoneczny i CME wstrzykują cząstki do magnetosfery i jak te cząstki poruszają się wokół planety. Ta kombinacja „spojrzenia w stronę źródła” i „spojrzenia na skutki” pozwala badaczom lepiej powiązać zdarzenia solarne ze zmianami w przestrzeni wokół Ziemi, które bezpośrednio wpływają na pracę satelitów i innych systemów kosmicznych.

Cyfrowe zaćmienia i nowe modele pogody kosmicznej

Duża ilość wysokiej jakości danych, które Proba-3 przesyła na Ziemię, już stymuluje rozwój zaawansowanych modeli numerycznych. Zespoły w całej Europie porównują rzeczywiste zdjęcia z wynikami symulacji komputerowych, aby poprawić opis ruchu plazmy i pól magnetycznych w koronie. Szczególnie ważną rolę odgrywają modele tworzące tzw. „cyfrowe zaćmienia” – syntetyczne obrazy korony, jakie widziałby koronograf taki jak ASPIICS.

Jeden z takich modeli, COCONUT, opracowany na Katolickim Uniwersytecie w Leuven, został już zintegrowany z Wirtualnym Centrum Modelowania Pogody Kosmicznej ESA. Porównując symulowane i rzeczywiste obrazy z Proba-3, badacze mogą precyzyjnie kalibrować model i lepiej powiązać aktywne regiony na powierzchni Słońca ze zjawiskami w koronie i heliosferze. W dłuższej perspektywie ma to prowadzić do wiarygodniejszych prognoz, kiedy konkretny CME uderzy w Ziemię, z jaką siłą i jaką odpowiedź wywoła w magnetosferze i jonosferze.

Korzyści na Ziemi: od zorzy po przeciążone sieci

Pozornie abstrakcyjne badania korony mają bardzo wymierne skutki. Silne CME i szybkie strumienie wiatru słonecznego mogą wywoływać burze geomagnetyczne, które tworzą spektakularne zorze polarne, ale także powodują problemy w sieciach energetycznych, nawigacji satelitarnej, łączach radiowych i systemach komunikacyjnych. W maju 2024 roku silna fala aktywności słonecznej spowodowała jedną z najsilniejszych burz geomagnetycznych ostatnich dziesięcioleci, z widocznymi skutkami w wielu krajach.

Dla operatorów sieci przesyłowych, linii lotniczych i dostawców usług satelitarnych wiarygodna prognoza takich zdarzeń jest tak samo ważna, jak dokładna prognoza pogody na powierzchni Ziemi. Proba-3 oferuje właśnie to, czego do tej pory brakowało: możliwość śledzenia CME i innych struktur koronalnych od momentu formowania się aż do momentu, gdy opuszczają koronę. Dzięki temu zmniejsza się niepewność w ocenie kierunku, prędkości i potencjalnej energii uderzenia w pole magnetyczne Ziemi.

W miarę jak Słońce zbliża się do maksimum 25. cyklu aktywności, oczekuje się, że liczba silnych zdarzeń będzie rosła. To zamienia Proba-3 w idealne narzędzie do testowania i ulepszania systemów wczesnego ostrzegania przed pogodą kosmiczną. Każde nowe sztuczne zaćmienie przynosi nową serię danych, a każda nowa fala aktywności słonecznej okazję, by przetestować, na ile modelowane prognozy odpowiadają rzeczywistości.

Technologia dla przyszłych misji

Oprócz naukowej, Proba-3 ma bardzo silny komponent technologiczny. Precyzyjny lot w formacji dwóch satelitów otworzy drogę nowym koncepcjom teleskopów kosmicznych, w których elementy optyczne znajdują się na kilku oddzielnych platformach: na przykład misjom do łowienia egzoplanet z ekstremalnie silnym „star-shade” lub teleskopom interferometrycznym wykorzystującym wiele satelitów jako segmentowe lustra. Technologie opracowane dla Proba-3 – od algorytmów nawigacji po miniaturowe czujniki – już teraz zademonstrowały, że takie podejście jest wykonalne w praktyce.

Misją kieruje ESA przy wsparciu konsorcjum zarządzanego przez hiszpańską firmę Sener, w którym uczestniczy ponad 29 partnerów przemysłowych z 14 państw członkowskich ESA oraz Kanady. Wśród kluczowych uczestników są także firmy GMV i Airbus Defence and Space z Hiszpanii oraz Redwire Space i Spacebel z Belgii. Proba-3 jest zatem także witryną europejskich zdolności przemysłowych do realizacji bardzo złożonych, wysoko zintegrowanych systemów kosmicznych w relatywnie kompaktowej i finansowo dostępnej misji.

Co Proba-3 oznacza dla przyszłości obserwacji Słońca

Mniej niż rok po wystrzeleniu Proba-3 dostarczyła już to, co obiecano – i więcej. Sztuczne całkowite zaćmienia stały się narzędziem, którym na co dzień posługują się fizycy słoneczni, a pierwsze wyniki pokazują, że korona wewnętrzna nie jest już niedostępnym obszarem między różnymi typami instrumentów. Dzięki ponad 50 zaćmieniom i setkom godzin obserwacji misja potwierdziła, że „brak naturalnych zaćmień” można nadrobić precyzyjną technologią, dobrze przemyślaną orbitą i inteligentnym planowaniem kampanii.

W miarę jak operacje będą kontynuowane w stronę grudnia 2025 roku i dalej, oczekuje się, że ilość danych będzie rosła lawinowo. Każda nowa seria zdjęć korony doda kolejny element układanki w zrozumieniu zachowania Słońca, a każde nowe, pomyślnie przeprowadzone sztuczne zaćmienie umocni zaufanie do technologii lotu w formacji. Proba-3 stała się w ten sposób zarówno instrumentem naukowym, jak i demonstratorem przyszłości – podwójna rola, która w przemyśle kosmicznym jest niezwykle pożądana.

Dla nauki o Słońcu misja oznacza przejście z ery polegania na rzadkich i krótkich naturalnych zaćmieniach w okres „cyfrowych zaćmień”, które można planować, powtarzać i stale analizować. Dla szerszej opinii publicznej być może jeszcze ważniejsze jest to, że badania te przyczyniają się do lepszej ochrony technologii, na której opiera się współczesne społeczeństwo. A dla przemysłu kosmicznego Proba-3 dowodzi, że europejskie zespoły mogą z milimetrową dokładnością kontrolować dwa oddzielne satelity oddalone o dziesiątki tysięcy kilometrów od Ziemi – i przy tym, mimochodem, odkrywać ukryte warstwy lśniącego „halo” Słońca.