Lähikuvia Auringosta

Elämme aurinkotutkimuksen kultaisia vuosia. Parker Solar Probe kiitää kohti kuumaa koronaa ja hetki sitten julkistettiin Daniel K Inouye teleskoopin ennennäkemättömän tarkat kuvat Auringon pinnalta.  Ja ensi viikolla matkaan ampaisee vihdoinkin Solar Orbiter.

Solar Orbiter on Euroopan avaruusjärjestö ESA:n kunnianhimoinen hanke. Tämä pienen auton kokoinen ja virtahevon painoinen luotain sisältää kymmenen tieteellisestä mittalaitetta, jotka tutkivat Aurinkoa, aurinkotuulta, sekä auringonpurkauksia ja niiden kiihdyttämiä varattuja hiukkasia.

ESA:n  aurinkokiertäjä tulee nappaamaan myös ensimmäiset suorat kuvat tähtemme napa-alueista. Tämän mahdollistaa luotaimen soikea ja kallellaan oleva rata. Lähimmillään Aurinkoa Solar Orbiter käy Merkuriuksen radan sisäpuolella, noin 42 miljoonan kilometrin päässä Auringosta ja nousee jopa yli 30 astetta planeettojen ratatasosta.

Tieteellisten mittausten päävaihe alkaa marraskuussa 2021 ja päättyy joulukuussa 2026, jonka aikana luotain kiertää 22 kierrosta Auringon ympäri. Hanketta on tarkoitus jatkaa tämän jälkeen vielä ainakin muutamalla vuodella. Päästäkseen suunnitellu radalleen Solar Orbiter tekee kaksi Venuksen ohilentoa ja yhden Maan ohilennon. Tämän jälkeen luotain kohtaa Venuksen aina parin kierroksen välein ja ohilennot kasvattavat hiljalleen radan kaltevuutta.

Mitä itse odotan tältä luotaimelta?

Oikeastaan ihan kaikkea!

Solar Orbiter tarjoaa uskomattoman mittausten aarreaitan. Kattava kokoelma instrumentteja ja niiden huippuluokan havainnot vaihtelevilla etäisyyksillä Auringosta mahdollistavat monenlaista tiedettä.

Tiimini kanssa Helsingin yliopistolla aiomme  tutkia miten Auringon valtavat plasmapilvet kehittyvät ja vuorovaikuttavat planeettainvälisessä avaruudessa. Erityisesti meitä kiinnostaa se, miten pilvien magneettinen rakenne muuttuu matkalla,  sekä purkausten edellään ajaman turbulentin sheath alueen pienen-skaalan magneettinen rakenne. Plasmapilvet ja sheath-alueet aiheuttavat kaikista voimakkaimmat myrskyt Maan lähiavaruudessa. Sheath-alueet tarjoavat myös ainutlaatuisen luonnollisen laboratorion tutkia perustavanlaatuisia plasmafysiikan prosesseja ja tämän monimutkaisen alueen muodostuminen on vielä erittäin huonosti tunnettu.

Lisäksi käytämme Solar Orbiterin mittauksia validoimaan ryhmässäni kehitettäviä uusia koronan malleja ja Eurooppalaista EUHFORIA-avaruussääsimulaatiota. Tällä hetkellä mallien ennustuksia verrataan pääosin Maan kiertoradan etäisyydeltä saatuihin mittauksiin.

Solar Orbiter tarjoaa lisäksi paljon entistä tarkempaa ja kattavampaa tietoa Auringon pinnan magneettikentästä. Auringon monimutkainen ja alati muuttuva magneettikenttä on tähtemme dynaamisuuden ja purkausten taustalla. Luotaimen kaksi teleskoopit tuottavat magnetogrammeja, karttoja magneettikentästä auringon pinnalla, joilla voidaan ajaa sekä ryhmäni koronan malleja, että EUHFORIA-simulaatiota. Toinen teleskooppi katsoo koko Auringon näkyvää pintaa kerralla ja toinen tuottaa korkeamman resoluution kuvia pienemmistä alueista.

Kiehtovaa on myös se, että Solar Orbiter ja Parker Solar Probe voivat havaita saman purkauksen aurinkotuulessa. Koska Auringon aktiivisuus on taas kasvamassa uskon, että saamme useita tällaisia tapauksia tutkittavaksi. Myös ESA:n ja Japanin avaruusjärjestön Merkuriukseen matkaava BepiColombo, sekä Lagrangan ensimmäisessä pisteessä olevat luotaimet  tarjoavat lisää havaintopisteitä.

Tiedossa on siis todellinen aurinkoluotainten armada.

Ylläkuvatut tutkimusaiheet liittyvät sekä Euroopan tutkimusneuvosto ERC:n rahoittamaan Consolidator Grant SolMAG projektini, että Suomen Akatemian  Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikkön tavoitteisiin. EUHFORIA-simulaatiota kehitämme edelleen H2020 konsortio EUHFORIA 2.0 projektissa.

Solar Orbiter laukaistaan Kennedyn avaruuskeskuksesta Floridasta Atlas V -kantoraketin saattelemana.  Laukaisua yritetään näillä näkymin Suomen aikaa helmikuun 9. päivän aamulla. Laukaisuikkuna aukeaa kello 6.15 ja se on avoinna kaksi tuntia.

Solar Orbiter laukaistiin lopulta maanantai-aamuna 10.2 kello 6.03. Kaikki meni hienosti, signaali saatiin ja aurinkopaneelit avautuivat. Ja ensimmäisiä mittauksia on jo alkanut tulemaan.

Kohti Aurinkoa – Parker Solar Probe

Odotan tulevaa viikonloppua jännityksellä. Silloin aukeaa Nasan Parker Solar Probe luotaimen laukaisuikkuna. Tällä huikean kunnianhimoisella hankeella – “luotaimella, joka koskettaa Aurinkoa” –  on mahdollisuus mullistaa aurinkotutkimus.

Parker Solar Probe etenee paljon lähemmäksi Aurinkoa kuin yksikään luotain aikaisemmin. Auringon kaasukehän uloimmassa kerroksessa koronassa piilee vastaus useisiin alani ratkaisemattomiin arvoituksiin, mutta aluetta on tähän mennessä tutkittu vain kaukaa, teoreettisesti tai mallinnuksen avulla. Nyt saamme ensimmäistä kertaa suoria mittauksia koronasta.

Parker Solar Probe matkaa ennätyksellisen lähelle Aurinkoa (NASA)

Alati puhaltava aurinkotuuli

Idea Auringon koronaan matkaavasta luotaimesta syntyi jo 70 vuotta sitten. Ehdotus esitettiin Yhdysvaltain kansainvälisen tiedeakatemian  John A. Simpsonin ja James Van Allenin johtamassa komiteassa lokakuussa 1958. Samana vuonna aurinko- ja astrofyysikko Eugene Parker julkaisi historiallisen paperinsa Dynamics of the Interplanetary Gas and Magnetic Fields Astrophysical Journal lehdessä. Artikkelissa esittetyn teorian mukaan Auringosta puhaltaa jatkuva hentoinen aurinkotuuli. Tämä kuuman koronan laajenemisesta peräisin oleva plasmavirtaus kiihtyy lähellä Aurinkoa ääntä nopeammaksi ja levittäytyy  aurinkokuntaamme.

Parkerin edistyksellinen teoria otettiin aluksi vastaan epäillen. Onneksi lehden silloinen päätoimittajana, kuuluisa astrofyysikko Subrahmanyan Chandrasekhar, päätti julkaista paperin esitarkastajien kielteisistä lausunnoista huolimatta. Hänkään ei heti lämmennyt Parkerin ehdotukselle, mutta työ vaikutti matemaattisesti moitteettomalta. Ja vain muutamaa vuotta myöhemmin Neuvostoliiton Luna ja Venera luotaimet, sekä Yhdysvaltalainen Mariner II matkalla Venukseen vahvistivat, että planeettainvälisen avaruuden täyttää todellakin keskeytymätön aurinkotuuli.

Parker on jo yli 90-vuotias, mutta edelleen hyvässä kunnossa. Hän pääsee siis onneksi näkemään hänen nimeään kantavan luotaimen laukaisun ja matkan kohti aurinkotuulen syntyseutuja.

Eugene Parker on emeritusprofessori Chicagon yliopistolla. Hän on tehnyt uraauurtavaa aurinkotutkimusta ja Parker Solar Probe on nimetty hänen mukaansa (University of Chigaco)

Nopea sukellus tulipätsiin

Auringon lähelle pääsemiseen tarvitaan valtavasti energiaa. Parker Solar Probe laukaistaan Yhdysvaltain ilmavoimien Cape Canaveralin tukikohdasta Floridasta massiivisella Delta IV Heavy kantoraketilla, joka on maailman tehokkain kantoraketti SpaceX Falcon Heavyn jälkeen.

Luotain tekee useita kierroksia Auringon ympäri ja ohilennot Venuksen ohitse vievät rataa lähemmäksi ja lähemmäksi koronaa. Jo marraskuussa 2018 Parker Solar Probe käy noin 36 Auringon säteen etäisyydellä Auringosta (aikaisemmat luotaimet ovat käyneet vain noin 65 Auringon säteen päässä). Kierroksia tulee yhteensä 24 seitsemän vuoden aikana. Viimeisten kierrosten aikana luotain sukeltaa alle kymmenen Auringon säteen päähän Auringosta.

Miten Parker Solar Probe selviää polttavassa kuumuudessa Auringon lähellä? Korona on onneksi hyvin ohutta plasmaa ja kiitäessään koronan lävitse luotain kuumenee miljoonien asteiden lämpötilassa “vain” noin 1370 asteeseen. Tämäkin on valtava lämpötila, joten luotainta ja instrumentteja suojaamaan on valmistetu hiilikuidusta ohut ja keveä suojakilpi, Thermal Protection System, joka ohjautuu automaattisesti. Alunperin luotaimen piti matkata vieläkin syvemmälle koronaan, mutta budjetti olisi kohonnut liian korkealle.

Lämpösuojakilpeä asennetaan Parker Solar Probe luotaimeen (NASA)

Parker Solar Probe tekee myös nopeusennätyksen. Ollessaan lähimpänä Aurinkoa luotain liikkuu lähes 700 000 kilometriä tunnissa, nopeammin kuin mikään ihmisten valmistava laite aikaisemmin. Tätä vauhtia Helsingistä Tampereelle kuluisi vain noin sekunti.

Kuuman koronan arvoitus

Parker Solar Probe on suunniteltu vastaamaan alan suuriin avoimiin kysymyksiin. Miksi Auringon korona on niin kuuma? Miten aurinkotuuli syntyy ? Miten varatut hiukkaset kiihtyvät Auringon lähellä? Tulosten merkitys ei rajoitu aurinkotutkimukseen vaan kyseessä ovat perustavanlaatuiset plasmafysiikan prosessit, joilla on sovelluksia aina astrofysiikasta fuusiotutkimukseen ja avaruussään ennustamiseen.

Avaimena on mitata tarkasti elektroneja, protoneja, heliumytimiä ja raskaampia ioneita, plasman ominaisuuksia ja sähkömagneettisia kenttiä mahdollisimman lähellä Aurinkoa.

Auringon purkausten ajamat shokit kiihdyttävät varattuja hiukkasia alhaalla koronassa lähes valonnopeuteen. Nämä hiukkaset saattavat vahingoittaa satelliitteja ja olla vaaraksi astronauteille. Nykyiset suorat mittaukset tehdään kaukana Auringosta, jolloin hiukkasten ominaisuudet ovat ehtineet muuttua merkittävästi. Mittaukset koronassa mahdollistavat siis selvittää miten alkuperäinen kiihdytys tapahtuu. Luotaimen avulla saadaan myös tietoa miten hiukkaset kulkeutuvat ja saavat lisää energiaa planeettainvälisessä avaruudessa.

Koronan äkillinen kuumeneminen on  yksi aurinko- ja avaruusfysiikan suurimmista mysteereistä. Lisäksi aurinkotuulen lämpötila ei tipu tarpeeksi nopeasti etäisyyden kasvaessa Auringosta. Jokin siis lämmittää tuulta jatkuvasti.

Auringon sisuksista nouseva kuuma plasma saa Auringon pinnan eli fotosfäärin kuplimaan.  Näihin liikkeisiin liittyy runsaasti energiaa, mutta on vielä epäselvää miten energia kulkeutuu ulospäin ja muuntautuu plasman lämmöksi ja hiukkasten kiihdytykseksi.

Yksi suosituimmista teorioista on, että fotosfäärin pinnan liikkeiden laukaisemat magneettikentän Alfvenin aallot etenevät koronaan ja kauemmaksi heliösfääriin, jossa ne luovuttavat energiansa plasman hiukkasille. Ennen kuin energia voi siirtyä, sen täytyy “vyöryä” aallon isoilta skaaloilta paljon pienemmille skaaloille. Tämä edellyttää aurinkotuulen turbulenssin ja aalto-hiukkasvuorovaikutusten tutkimista. 

Parker ehdotti paperissaan vuonna 1988, että korona voisi kuumentua myös lukuisista pienen pienistä roihupurkauksista (nanoflare), joissa magneettikentän energiaa vapautuu plasman lämmitykseen ja hiukkasten kiihdytykseen. Parker Solar Probe yrittää mm. havaita merkkejä nanoroihujen kiihdyttämistä elektronisuihkuista koronassa.

Itseäni kiinnostaa varsinkin suorat mittaukset auringonpurkauksista vaihtelevilla etäisyyksillä Auringosta. Miten purkauspilvien rakenne ja turbulenssi ja niiden ajamien shokkiaaltojen ympäristö muuttuu ja kehittyy? Arvokkaita mittauksia tähän tutkimukseen kertyy koko hankkeen ajalta ja kysymykset liittyvät sekä Euroopan tutkimusneuvoston ERC Consolidator Grant projektiini, että Suomen Akatemian Kestävän avaruustieteen ja -tekniikan huippuyksikkömme tavoitteisiin.

Kiinnostavaa on myös se, mitä uutta Parker Solar Probe tulee kertomaan hitaan aurinkotuulen synnystä. Nopean aurinkotuulen tiedetään kiihtyvän pitkin avoimia magneettikenttäviivoja koronan aukoista, mutta hitaan aurinkotuulen vapautuminen suljettujen kenttien alueelta on vielä pitkälle selvittämättä. Onkin ehdotettu, että hidas aurinkotuuli koostuisi merkittävältä osin pienistä plasmapilvistä. Maan etäisyydellä ne ovat jo sulautuneet ympäröivään aurinkoontuuleen, mutta pystyykö Parker Solar Probe erottamaan nämä Auringon lähellä?

Aurinkotutkimuksen kultaiset vuodet

Elämme aurinkotutkimuksen kulta-aikaa. Parker Solar Probe saa pian seurakseen Euroopan avaruusjärjestön Solar Orbiter luotaimen. Solar Orbiter mittaa aurinkotuulta myös planeettojen ratatason ulkopuolella aina Merkuriuksen radan sisäpuolelle ja havaitsee Aurinkoa, koronaa ja heliosfääriä useilla eri aallonpituuksilla. Merkuriukseen syksyllä laukaistava BepiColombo havannoi aurinkotuulta seitsemän vuotisen matkansa aikana, sekä Auringon röntgen- ja hiukkassäteilyä (suomalaisella instrumentilla).

Aurinkoa tarkkailee edelleen myös useita vanhempia luotaimia. Esimerkiksi Solar Dynamics Observatory tuottaa tarkkoja kuvia laajalla aallonpituusalueella, sekä tietoa fotosfäärin magneettikentästä.  Ja taivaalla on vielä sellaisiakin konkareita kuin SOHO, joka on katsellut lähintä tähteämme ja sen koronaa jo yli kaksikymmentä vuotta. Maan pinnalta Aurinkoa havaitsee lisäksi useita teleskooppeja, mm. Mauin saarella Havaijilla sijaitseva K. Inouye Solar Telescope (DKIST) on valmistuessaan on maailman suurin aurinkoteleskooppi.

Parker Solar Probe, Solar Orbiter, DKIST ja muut luotaimet ja teleskoopit tulevatkin tekemään tiivistä yhteistyötä. Nyt on todellakin ainutlaatuinen aika olla aurinkotutkija!

Valmiina lähtöön! Parker Solar Probe odottamassa siirtoa Astrotechin tiloista Cape Canaveraliin (NASA)

Lähteitä

http://parkersolarprobe.jhuapl.edu/The-Mission/

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180719165026.htm

https://www.uchicago.edu/features/nasa_mission_honors_landmark_uchicago_discovery/

 

Merkurius-missio BepiColombo valmiina matkaan

Tutkimusretki Merkuriukseen on alkamassa! Euroopan ja Japanin avaruusjärjestöt ovat valmistelleet yhteistä missiotaan lähes kaksikymmentä vuotta ja laukaisu on nyt vihdoinkin lähellä.  BepiColombo ampaisee avaruuteen syksyllä Euroopan avaruuskeskuksesta Ranskan Guayanasta, Kourousta. Matka aurinkokunnan sisimmälle ja pienimmälle planeetalle on pitkä ja haastava. Perillä odottaa kraattereiden peittämä kuuma ja kiehtova maailma. Aikaisemmin vain kaksi luotainta on vieraillut Merkuriuksen lähellä ja planeetta onkin aurinkokunnan vähiten tunnettu kiviplaneetta.  BepiColombo-luotainpari kiertää Merkuriusta vähintään vuoden ajan tutkien Merkuriuksen rakennetta, geologiaa ja koostumusta, magneettikentän alkuperää ja lähiavaruutta. Merkurius tarjoaa myös tilaisuuden testata Einsteinin suhteellisuusteoriaa ja saada uutta tietoa aurinkokunnan synnystä ja kehityksestä, ja planeetoista jotka kiertävät lähellä tähteään. Bepicolombo on erittäin kunnianhimoinen missio ja suomalaisittain varsin kiinnostava. Luotainten mukana lentää suomalaista huipputeknologiaa ja useat Suomessa työskentelevät tutkijat osallistuvat BepiColombon tieteellisten mittausten analysointiin.

Eksoottinen Merkurius

Merkurius on karu ja kivinen, käytännössä ilmakehätön planeetta. Planeettaa ympäröi vain ohuen ohut eksosfääri, joka muuttuu alati aurinkotuulen pyyhkiessä Merkuriuksen ohi. Merkuriuksessa ei siis ole tuulta, pilviä, sateita tai myrskyjä. Planeetalla ei myöskään ole ollut merkittävää tulivuoriaktiivisuutta yli kolmeen miljardiin vuoteen. Varhaisessa meteoriittipommituksessa syntyneet törmäyskraatterit eivät siis ole päässeet kulumaan ja Merkuriuksen pinta muistuttaakin Kuun kraattereiden peittämää pintaa.

Merkuriuksen karu ja kraattereiden peittämä pinta muistuttaa Kuuta (kuva: Messenger/NASA).

Merkuriusta kartoittaneet NASA:n Mariner-10 (ohilennot 1974 ja 1975) ja Messenger-luotain (2011-2015) ovat paljastaneet, että planeetalla on mielenkiintoinen ja monimutkainen historia. Merkuriuksessa on mm. paljon rikkiä ja tulikiveä peittäviä tasankoja, sekä omituisia harjanteita ja jyrkänteitä. Nämä havainnot kertovat tarinaa siitä, miten Merkurius aikoinaan syntyi ja kehittyi.

Olosuhteet Merkuriuksessa ovat hurjat. Lämpötila vaihtelee polttavan kuumasta jäätävän kylmään. Auringon säteily tulee Merkuriukseen kymmenen kertaa voimakkaampaa kuin Maahan ja mittari kohoaa planeetan pinnalla kuumimmillaan yli 400 asteeseen. Ilmakehän puutteesta ja pitkästä pyörähdysajasta (59 Maan vuorokautta) johtuen Merkuriuksessa on kuitenkin paikoitellen lähes -200 astetta pakkasta. Auringolta pimennossa olevien kraattereiden suojista on löytynyt myös jäätä.

Yksi tutkijoita kummastuttava asia on Merkuriuksen magneettikenttä. Pienillä planeetoilla ei ole yleensä merkittävää magneettikenttää ja siksi magneettikentän löytyminen oli aikoinaan yllätys. Merkuriuksen magneettikentässä on lisäksi mielenkiintoisia epätasaisuuksia.  Kenttä on noin kolme kertaa voimakkaampi pohjoisella kuin eteläisellä pallonpuoliskolla.

Koska Merkurius on niin lähellä Aurinkoa iskevät aurinkotuuli ja Auringon purkaukset planeettaan hyvin voimakkaina.  Merkuriuksen magnetosfäärissä tapahtuukin paljon ja nopeasti, esimerkiksi koko magnetosfäärin kattavia suuria muutoksia vain noin minuutin aikaskaaloissa. Päiväpuolella magnetosfäärin ulkoraja saattaa painua jopa planeetan pinnalle asti, jolloin aurinkotuuli pääsee vuorovaikuttamaan suoraan Merkuriuksen kanssa.

Kaverukset Bepi ja Mio

Merkuriusta lähdetään nyt ensimmäistä kertaa tutkimaan kahden luotaimen voimin.  BepiColombo koostuu eurooppalaisten pääosin Merkuriusta planeettana tutkivasta Mercury Planetary Orbiter “Bepistä” ja japanilaisten magnetosfääriä tutkivasta Mercury Magnetospheric Orbiter “Miosta”. Bepissä on 11 tieteellistä instrumenttia ja Miossa viisi. Euroopan avaruusjärjestö on vastuussa myös BepiColombon kuljetusmoduulista, joka vie Bepin ja MMO:n Merkuriukseen ja tukee luotaimia matkan aikana.

Sekä Bepi että Mio kiertävät Merkuriusta soikeilla radoilla napojen ympäri. Molemmat käyvät lähimmillään vain noin 400 kilometrin päässä Merkuriuksesta. Bepi pysyttelee suhteellisen lähellä planeettaa, mutta Mion rata ulottuu yli 11000 kilometrin päässä Merkuriuksesta, missä luotain havaitsee myös aurinkotuulta.

Bepi ja Mio luotaimet kiertävät yhdessä Merkuriusta vähintään vuoden ajan (kuva: ESA).

Bepin ja Mion yhteistyö onkin yksi BepiColombo-mission kulmakiviä. Luotainpari voi tutkia useita sellaisia tiedekysymyksiä ja ajallisesti ja paikallisesti vaihtelevia fysikaalisia prosesseja, joita yhdellä luotaimella ei olisi mahdollista ratkaista.  Kun Mio esimerkiksi mittaa Merkuriukseen iskeytyvää aurinkotuulta, Bepi havaitsee vaikutuksia planeetan pinnalla ja lähiavaruudessa.

Pitkä matka Merkuriukseen

Bepi matkasi huhtikuun lopussa Euroopan avaruusjärjestön teknologiakeskuksesta ESTEC:istä Alankomaista tropiikin lämpöön.   Luotain pakattiin huolellisesti ja lastattiin Amsterdamin Schipholin lentokentällä koneeseen. Lähellä päiväntasaajaa Atlantin rannikolla Kouroulla Ranskan Guayanassa sijaitsee Euroopan avaruusjärjestön avaruuskeskus, josta BepiColombon laukaisu tapahtuu ja siellä tehdään vielä viimeisiä testejä ja valmisteluja. Vappupäivänä Bepiä seurasivat Kouroulle myös Mio ja kuljetusmoduuli. Laukaisu on todennäköisimmin lokakuu – marraskuun vaihteessa ja tapahtuu Ariane 5 kantoraketilla.

Bepi pakattuna ESA:n teknologiakeskus ESTEC:issä valmiina siirtoa Kouroulle varten (kuva: ESA)

BepiColombo kiertelee sisemmässä aurinkokunnassa lähes seitsemän vuotta ennen kuin Merkurius saa kaapattua sen pysyvälle kiertoradalleen joulukuussa 2025. Auringon läheisyys tuo merkittäviä teknologisia haasteita ja BepiColomboa varten on kehitetty aivan uudenlaista tehokasta sähköistä voimanlähdettä saamaan aikaan tuhansia tunteja työntövoimaa.  Lisäksi lukuisat ohilennot Maan, Venuksen ja Merkuriuksen ohitse auttavat saattamaan BepiColomboa Merkuriuksen kiertoradalle.

BepiColombo on saanut nimensä italialaisen matemaatikko ja insinööri Giuseppe (“Bepi”) Colombon mukaan. Colombo ratkaisi vuonna 1965 Merkuriuksen pyörimisen arvoituksen: planeetta pyörähtää akselinsa ympäri kolme kertaa kutakin kahta ratakierrosta kohti. Hän myös laski aikoinaan, miten Mariner 10 luotain pystyisi tekemään toistuvia ohilentoja Merkuriuksen ohitse.  Merkuriuksen kiertoradalle päästyään eurooppalaisten ja japanilaisten luotaimet jarruttavat ensin yhdessä ja sitten eroavat. Bepi laskeutuu vielä alemmaksi tutkimaan planeetan lähiympäristöä.

Pitkän matkan aikana Bepicolombon lukuisat mittalaitteet eivät ole toimettomina. Mittalaitteita pyritään pitämään päällä aina kuin vain mahdollista.  Varsinkin Venuksen ja Merkuriuksen ohilentojen aikana tehdään tärkeitä tiedemittauksia.

Suomalaista huipputekniikkaa ja tiedettä

Suomalaiset ovat olleet mukana BepiColombo-missiossa heti alusta alkaen.  Lukuisat tutkijat ja insinöörit ovat työskennelleet varsinkin Bepi-luotaimen SIXS- ja MIXS-instrumenttien parissa, jotka tekevät tiivistä yhteistyötä Merkuriuksen kiertoradalle päästyään. SIXS on lähes kokonaan kotimaista työtä ja suomalaiset ovat osallistuneet myös MIXS röntgenkameroiden tekemiseen. SIXS mittaa Auringosta saapuvaa röntgensäteilyä, elektroneja ja protoneja ja MIXS puolestaan näiden Merkuriuksen pinnalla synnyttämää röntgenfluoresenssia ja -sirontaa. Havainnoista johdetaan Merkuriuksen pinnan alkuainepitoisuuksia ja rakennetta, mikä auttaa selvittämään mm. planeetan muodostumista ja kehitystä. Yhdessä BepiColombon muiden tiedelaitteiden kanssa näiden havaintojen avulla tutkitaan mm. miten Auringon hiukkassäteily tunkeutuu Merkuriuksen magneettikenttään ja miten Merkuriuksen magnetosfäärin dynaamiset prosessit puolestaan kiihdyttävät hiukkasia. Lisäksi SIXS tekee tärkeitä ja mielenkiintoisia mittauksia Auringosta itsestään. Instrumentin mittauksista saadaan ensimmäiset pitkät aikasarjat Auringon purkauksista peräisin olevasta röntgen- ja hiukkassäteilystä lähellä Aurinkoa.

ASRO:n projekti-insinööri valmistelemassa SIXS-instrumenttia kalibrointitesteihin Helsingin yliopiston kiihdytinlaboratoriossa (kuva: ASRO)

SIXS- ja MIXS-instrumenttien suunnitteluun ja rakentamiseen on osallistunut useita yliopistoja ja yrityksiä Suomessa, sekä Ilmatieteen laitos. Työskentely suuressa ja kansainvälisessä avaruusprojektissa on ollut mielenkiintoista ja palkitsevaa. Instrumenttien kehittäminen vaativiin olosuhteisiin on vaatinut useita uusia teknologisia ratkaisuja ja niiden perusteellista testaamista. Projekti onkin vienyt mukana olleiden tahojen osaamista eteenpäin ja luonut uusia yhteistyökontakteja.

Suomalaisten osuus BepiColombo-missiossa ja sen instrumenttien suunnittelussa ja rakentamisessa

  • Helsingin yliopisto on päävastuussa Suomen osuudesta ESA:n BepiColombo-missiossa. SIXS-instrumentin päätutkija on dosentti Juhani Huovelin. Professori Karri Muinonen on brittiläisen MIXS-instrumentin toinen päätutkija, ja professori Rami Vainio Turun yliopistosta vastaa SIXS:in hiukkasilmaisimesta. Suomen BepiColombo-tiederyhmässä on kaikkiaan toistakymmentä tutkijaa, ja yhteistyötä tehdään aktiivisesti useiden muiden instrumenttien kanssa, joista tärkein on MIXS-instrumentti Leicesterin yliopistossa, Iso-Britanniassa.
  • Helsingin yliopiston johtamassa ja Business Finlandin (ent. Tekes) rahoittamassa teknisessä projektissa on viisi päätason alihankkijaa
  • Ilmatieteen laitos vastaa projektipäällikön ja laadunvalvonnan työosuuksista
  • Oxfords Instrument Technologies Oy ja Turkulainen Aboa Space Research Oy (ASRO) ovat vastanneet SIXS-instrumentin teknisestä suunnittelusta ja rakentamisesta
  • TalviOja Consulting Oy on vastannut SIXS-instrumentin lämpösuunnittelusta ja -mallinnuksesta.
  • Space System Finland Oy on kehittänyt ohjelmiston SIXS- ja MIXS- instrumenttien yhteiseen ohjaus- ja datankäsittely-yksikköön.
  • RUAG Space Finland Oy (ent. Patria Aviation Oy) on valmistanut SIXS- ja MIXS-instrumenttien ohjaus- ja datankäsittely-yksikön.

Lisää tietoa: http://sci.esa.int/bepicolombo/

Twitter: BepiColomboESA_Bepi

 Tulevia tapahtumia

  • Tutkimusmatka Merkuriukseen, Avoin yleisötilaisuus, Tiedekulma 25.9 klo 17-19
  • Laukaisuvalvojaiset (aika tarkentuu syksyllä, BepiColombon laukaisuikkuna on 5.10 – 30.11.2018)

 Teksti: Emilia Kilpua ja Juhani Huovelin

 

 

Scientific Foundation of Space Weather

Last summer I participated The Scientific Foundation of Space Weather workshop that was held at the International Space Science Institute in Bern, Switzerland. The city of Bern is beautiful and when walking through its historic centre you come across the Einstein’s house and the clock tower that inspired Einstein to discover the theory of relativity.

The meeting collected about 40  scientist to discuss the physics and physical processes governing space weather and how they link to each other from the Sun to the Earth. The workshop participants also wrote several review articles that are published in Space Science Reviews topical collection. I was leading the paper titled Geoeffective Properties of Solar Transients and Stream Interaction Regions. In this paper we review the solar wind properties of sheaths, coronal mass ejections (CMEs), shocks and slow-fast stream interaction regions that are relevant for driving space weather storms. One of our key focuses  is to highlight how complex the solar wind – magnetosphere coupling really is and how different large-scale heliospheric transients are in driving space weather storms. The role of the magnetosheath, coupling of different domains, and understanding how kinetic effects and local processes affect the global response are among the major challenges of the future. The other paper The Physical Processes of CME/ICME Evolution I contributed was led by Ward Manchester. In this paper we give a fresh perspective on dramatic evolution CMEs may experience during their propagation through the corona and interplanetary space. We discuss physical processes that define how CMEs rotate, deflect and deform, and how they interact with other CMEs and the ambient solar wind. The overview paper Achievements and Challenges in the Science of Space Weather by Hannu Koskinen et al. ends with an insightful remark The challenges to improve practical space weather services cannot be met using more efficient computational methods and tools alone. Deep understanding of the underlying physics and innovative ideas to improve the understanding remain basic requirements of all progress in space weather activities.”

Bern is an inspiring place to have a meeting. This is a clock tower in Bern that inspired Einstein to unravel the secrets of moving at the speed of light.

Predicting arrival of solar eruptions using heliospheric imaging

The Sun unleashes a gigantic cloud of plasma and magnetic field into interplanetary space. These so-called coronal mass ejections (CMEs) are main causes of space weather disturbances, including colorful aurora and various hazards to modern technology in space and on ground. Predicting accurately space weather conditions is becoming increasingly important.

Even the basic question whether a given CME will hit the Earth or not remains surprisingly difficult to answer. Wide angle heliospheric imaging is a compelling future way for systematic space weather forecasting. The accuracy of the methods based on this instrumentation to predict CME arrivals has however not been previously tested using a large sample of events. In the recently published Space Weather paper led by Chris Möstl from Space Research Institute Austrian Academy of Sciences we validate a self-similar expansion model to predict the CME impacts using eight years of heliospheric imaging observations from the twin STEREO spacecraft and the data from five in-situ spacecraft. The paper is done as part of the HELCATS  project and we used over 1300 CMEs extracted from the HELCATS catalogues.

Wide-angle heliospheric white-light imaging can detect coronal mass ejections until the Earth orbit and beyond. The figure is from the HELCATS catalogues.

We found that approximately one third of the CMEs that were predicted to hit a certain location were associated with a clear interplanetary CME. This percentage of “hits” may seem low. Our study however sets an important baseline for utilizing systematically heliospheric imaging to predict CME arrivals. We present various ways to improve the technique and decrease the number of “false alarms”. Instead of using the same fixed angular width for all CMEs, their more realistic sizes could be determined from the modeling. Also a significant fraction of “misses” are likely the cases where a CME arrived as predicted but produced less clear interplanetary signatures.

The up-coming Solar Orbiter and Parker Solar Probe will carry wide-field imagers. A space weather mission to the Lagrangian point L5 is also actively planned. A heliospheric imager onboard such a mission would provide continuous monitoring of the heliosphere between the Sun and Earth. Our study gives further support that this is an optimal location for predicting Earth-directed CMEs using heliospheric imaging.

Mystery of Solar Flux Ropes

Mystery of Solar Flux ropes

Coronal mass ejections show twisted magnetic field structure. Such tubes of twisted magnetic fields are called as flux ropes and they can store plenty of free magnetic energy in the corona. The questions when and how the flux ropes form have puzzled scientists for decades. In some cases magnetic fields may survive twisted deeper from the Sun, but mostly the flux ropes that are integral part of erupting coronal mass ejections are believed to form in the solar corona. However, it is not clear yet whether the flux rope typically forms prior to the eruption or during the eruption process. The plasma instabilities and processes that trigger and drive the eruption are also largely unknown.

In this Solar Physics paper led by Alexander James from Mullard Space Science Laboratory we combined a wide variety of observations (e.g., EUV, radio and magnetograms) to analyse the formation and eruption of a flux rope on June 14, 2012. We found that magnetic reconnection formed the flux rope a few hours before its eruption in the corona. This was consistent also with plasma composition analysis suggesting the existence of coronal plasma in the flux rope. This eruption originated from an emerging active region where vortical motions of the flux rope footpoints caused it to rise and become hence unstable. The paper also highlights the importance of combining different observations for shedding light on how solar eruptions form.

 

Left) Sigmoidal Extreme Ultraviolet structure signalling the flux rope, Right) associated coronal mass ejection detected by coronagraph onboard STEREO-A

Tracking Solar Storms: Recap of the HELCATS project

Tomorrow we will have the final HELCATS meeting in the beautiful city of Vienna. HELCATS was a three-year consortium project funded by the European Commission 7th Framework Programme. Eight institutes or universities from seven European countries were involved. The project was led by Richard Harrison from Rutherford Appleton Laboratory, UK. We had monthly telecons, held face-to-face project meetings twice per year and organised three open science meetings. Several science visits were also done during the project.

The core of our project was to use wide-angle heliospheric imagers onboard the twin STEREO spacecraft to study solar eruptions and the solar wind (see figure below). Heliospheric imaging is currently one of the only ways to bridge the huge gap between solar and direct solar wind observations.

Over the past three years we worked hard to build various catalogues for the scientific community. All the catalogues are now uploaded to our project webpage and they are ready to use.

The catalogue of coronal mass ejections (CMEs) identified manually from the heliospheric imager data is the “Master catalogue” and first of its kind. We used also widely other observations. For example, you can find the catalogues that give key CME parameters based on the geometric modelling of coronagraphic data and in-situ reconstructions, information on CME sources and associated radio waves. We also produced a catalogue of solar wind stream interaction regions that could be traced with heliospheric imagers. The catalogue I find particularly useful in my own studies links solar, heliospheric and in-situ CMEs.

Although the project ends, the work grounding on HELCATS will continue. One of the best things in participating in such a big international project was to get to know better and work with many great scientists in the field. And young scientist can establish their scientific network. Below you can find a summary video I made of our final open science meeting.

Visit HELCATS webpagehttps://www.helcats-fp7.eu


Left) STEREO twin spacecraft, Middle) coronal mass ejection seen with heliospheric imagers, Right) my student Erika extending her network with HELCATS scientists

HELCATS_EGU from Emilia Kilpua on Vimeo.

Solar wind and strong space weather storms

Since 1960s we have known that southward interplanetary magnetic fields and fast solar wind are behind every significant space weather disturbance. These conditions allow magnetic reconnection opening the dayside magnetopause and transferring effectively solar wind plasma and momentum into the Earth’s magnetosphere.

Stronger and faster solar wind does not however necessarily mean stronger space weather storms. This non-linearity in the response of our near-space environment is known as the saturation of the potential across the polar cap. Many theories have been presented to explain why polar cap potential saturates, but none of them works for all solar wind conditions.

In this paper we just published in Geophysical Research Letters we examine how the saturation depends on solar wind conditions, in particular the solar wind dynamic pressure. We examined three decades of near-Earth solar wind measurements. Our key finding is that the high solar wind dynamic pressure can prevent the polar cap potential from saturating. This means that the largest geospace storms occur when dynamic pressure is high.

But what structures in the solar wind can provide such conditions? The best candidates are the magnetosheaths of coronal mass ejections (CMEs) that are composed of the turbulent plasma compressed at the CME-driven shock waves. From our previous works we indeed know that the sheaths are very efficient drivers of space weather storms and that their couple with the magnetosphere stronger than the CME flux rope itself.

Link to the paper: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL072676/abstract

Lasikattojen läpi, tähtiä kohti

Naistenpäivän 8.3 kunniaksi Hufvudstadsbladet haastatteli miesvaltaisilla aloilla työskenteleviä naisia (ks. linkki alla). Avaruusfysiikan parissa Suomessa on ollut jo pitkään erittäin hyvä naisedustus, myös niillä kaikkein korkeimmilla paikoilla. Tilanne ei ole kuitenkaan yleisesti näin hyvä luonnontieteiden alalla. Naisten osuus laskee merkittävästi mitä ylemmäksi akateemisella urapolulla edetään. Helsingin yliopistolla fysikaalisten tieteiden koulutusohjelmaan hyväksyttyjen naisten määrä on pysynyt pitkään suhteellisen samalla tasolla, 30-35 prosentin välillä. Laitoksen professoreista kuitenkin vain noin 15 prosenttia on naisia. Tässä on se kuuluisa lasikatto.

Miksi sitten niin useat naiset törmäävät lasikattoon? Löytyykö syy hyväveli-verkostoista? Vai onko menestyksekkään uran ja perhe-elämän yhdistäminen mahdoton yhtälö? Naisilla on kuulemma myös taipumus aliarvioida omia kykyjään, kun taas miehet paukuttelevat henkseleitään huomattavasti herkemmin. Syitä on varmasti monia ja kaikkeen ei voi itse vaikuttaa, mutta ainakin me luonnontieteiden alalla jo pitkän matkan kulkeneet voimme pyrkiä olemaan mahdollisimman paljon positiivisena esimerkkinä. Useat tutkimukset ovat korostaneet, että esikuvilla, sekä kannustavilla vanhemmilla ja opettajilla on suuri merkitys. Ja luonnontieteiden parissa vasta aloittaville tytöille/naisille vinkkinä, että uskokaa itseenne. Parempia virkoja ei ainakaan saa jos niitä ei uskalla hakea. Fifty-fifty prosentit eivät tässä välttämättä ole se asian ydin, mutta ainakin se, että jokaisella olisi mahdollisuus kiinnostua asioista ja toteuttaa niitä ilman yhteiskunnan asettamia ennakko-oletuksia. Ja että kaikilla olisi yhtäläiset mahdollisuudet edetä urallaan.

https://www.hbl.fi/artikel/forebilder-hjalper-att-krossa-glastaket/

Transition through the magnetosheath matters for space weather

Magnetic clouds are gigantic helical flux ropes in interplanetary space. They originate from the Sun as violent eruptions of plasma and magnetic field, called coronal mass ejections. Magnetic clouds are one of the key causes of significant space weather storms at the Earth as they often embed strong and southward magnetic fields. Before reaching the Earth’s magnetic environment, magnetic clouds  move past the bow shock and the magnetosheath.  This can alter significantly their magnetic structure and change their ability to drive geomagnetic disturbances. In our new Journal of Geophysical Research  paper we study the transition of 82 magnetic clouds from the solar wind to the Earth’s magnetosphere using a magnetohydrodynamic (MHD) model and observations from THEMIS, Double Star, GEOTAIL, and Interball. We found that the largest changes in their magnetic structure occurred when the bow shock was quasi-parallel, i.e., when kinetic processes dominate. In such a case the MHD model is not sufficient to capture the transition. Our results also emphasise the importance of the east-west magnetic field component in controlling the ability of a magnetic cloud to drive magnetospheric storms. This has important implications for forecasting space weather as all those spacecraft  that provide continuous solar wind measurements are  located upstream of the bow shock.

Check the full paper from http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016JA023654/full