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.
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.
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.
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!
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/