Kalendář akcí AV21

Dnes < 2017 >  < září > 
Po Út St Čt So Ne
        1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30  

Solar Orbiter – mise ke Slunci s českou účastí

V roce 2019 zamíří ke Slunci sonda, jejíž mise by měla znamenat zásadní posun ve výzkumu naší nejbližší hvězdy. Česká astronomie má ve světě skvělé jméno, a tak není překvapením, že zdejší experti připravili pro ambiciozní projekt Evropské kosmické agentury letové části přístrojů, které sonda Solar Orbiter nese.

 

Vědecká mise Evropské kosmické agentury (ESA) je součástí programu Cosmic Vision (2015–2025) a její start se plánuje na únor 2019. Cílem je studium Slunce a vnitřní heliosféry z bezprostřední vzdálenosti, tedy s vysokým rozlišením. Ke Slunci se dostane na vzdálenost asi 60 slunečních poloměrů – 0,28 astronomické jednotky, jež představuje vzdálenost Slunce-Země. Nacházet se bude na oběžné dráze podobné dráze Merkura, jejíž sklon se však bude postupně zvětšovat až na hodnotu 30 stupňů. To umožní unikátní pozorování oblastí kolem obou slunečních pólů.

 

Úspěšnou etapu realizace přístrojů pro sondu Solar Orbiter, na kterých Akademie věd ČR spolupracuje s průmyslem a Univerzitou Karlovou, představili její hlavní aktéři v budově AV ČR na Národní třídě 19. července 2017 pod hlavičkou Strategie AV21 a jejího programu Vesmír pro lidstvo. Na snímku zleva: František Fárník, Petr Heinzel a Štěpán Štverák z Astronomického ústavu AV ČR, Jan Souček z Ústavu fyziky armosféry AV ČR a Lubomír Přech z Univerzity Karlovy.

 

„Velké mise jako je Solar Orbiter se plánují zhruba na čtyři roky, ovšem životnost sondy lze jen těžko odhadovat: „Například u satelitu SOHO se předpokládalo, že bude v činnosti tři roky a v současnosti pracuje, s krátkými přestávkami, již dvaadvacet let. Nelze však předpokládat, že by Solar Orbiter byl vzhledem k předpokládané zátěži funkční tolik let,” vysvětlil na tiskové konferenci 19. července 2017 František Fárník z Astronomického ústavu AV ČR.

 

V okamžicích největšího přiblížení bude Solar Orbiter nejblíže Slunci ze všech předchozích sond a bude muset odolat 13krát většímu tepelnému toku ve srovnání s tokem dopadajícím na Zemi. „Teplota jako taková není problém, protože kolem Slunce je vlastně zima. Sluneční záření sondu ale rozpálí, a ta horká bude. To samé platí i pro koronu: člověk by se v ní neohřál, ale záření by ho zabilo,” upozorňuje Petr Heinzel ze stejného pracoviště.

 

Sonda Solar Orbiter zamíří v roce 2019 ke Slunci a její mise bude znamenat zásadní posun ve výzkumu naší nejbližší hvězdy. Letové kusy byly již úspěšně předány do ESA, v srpnu je bude firma AIRBUS Industry montovat do sondy.

 

Lubomír Přech z Univerzity Karlovy dodává, že když sonda zaletí až za Zemi, tepelný přítok poklesne, s čímž se družice musí vyrovnat: „Jednou stěnou je proto orientována stále směrem ke Slunci a na ní má tepelný štít, jakýsi slunečník, který sluneční záření rozpálí až na teplotu 400–500 °C, ale sám sebe odstíní. Na vlastní konstrukci družice se tak tolik tepla nedostane.”

 

Přístroje na palubě sondy mají objasnit 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 vyplňují heliosféru? Jak pracuje sluneční dynamo a řídí tak spojení mezi Sluncem a heliosférou?

 

 

Sonda Solar Orbiter s přístroji

 

Aby šlo naměřit dostatečné množství údajů, musí být sonda i přístroje zkonstruovány tak, aby „přežily” obrovské teplotní zatížení i vysokou radiaci nabitých částic. Cesta od startu na finální dráhu kolem Slunce potrvá téměř tři roky a během této doby bude sonda pozorovat heliosféru in situ. Jakmile dosáhne cílové dráhy, budou přístroje na palubě opakovaně „snímkovat” celý sluneční disk i jeho vybrané oblasti.

 

Přístroje na palubě sondy
Jedním z 10 vědeckých přístrojů na palubě sondy Solar Orbiter je teleskop pro zobrazení rentgenových zdrojů – STIX. Umožňuje zobrazení těchto zdrojů v tvrdé rentgenové oblasti (5–150 keV) s vysokým prostorovým, spektrálním i časovým rozlišením. Zaměřením na Slunce vznikl přístroj, který umožňuje studovat fyzikální procesy ve slunečních erupcích a v dalších energetických jevech ve sluneční atmosféře.


STIX těsně před integrací do sondy

 

Pro studium koróny, eruptivních procesů v koróně (tzv. výrony koronální hmoty CME) a slunečního větru je určen koronograf METIS. Koronograf je v podstatě dalekohled, který zastíní světlo slunečního disku, čímž se docílí daleko vyššího kontrastu při pozorování slabě zářící koróny. Simultánní pozorování koróny a procesů v ní bude první svého druhu a mělo by poskytnout unikátní data. Pro jejich analýzu se již dnes připravuje komplexní vědecká metodika, na níž se podílí rovněž Astronomický ústav AV ČR.

 


Přístroj METIS

 

Klíčové optické elementy, tj. zobrazovací zrcadla, vyvinuli a vyrobili čeští experti v turnovských laboratořích TOPTEC, které jsou součástí Ústavu fyziky plazmatu AV ČR. Českou účast v mezinárodním konsorciu METIS koordinuje Astronomický ústav AV ČR, který garantuje vědeckou stránku projektu. Na české straně je projekt financován v rámci programu ESA-PRODEX.

 

Akademie věd ČR (Ústav fyziky atmosféry a Astronomický ústav) ve spolupráci s kroměřížskou firmou CSRC dodala plně funkční zařízení v celkové hodnotě 1,2 milionu eur francouzské kosmické agentuře CNES. Ta prostřednictvím dceřiné laboratoře LESIA se sídlem na Observatoři Paříž – Meudon odpovídá za dodání přístrojového vybavení pro studium radiových a plazmových vln (RPW) na misi Evropské kosmické agentury ESA Solar Orbiter. „Naší odpovědností je zajišťovat dodávky elektrické energie ze solárních panelů, její regulace, měření telemetrických údajů o spotřebě napájení a především filtrace škodlivého rušení. Přístroje na sondě jsou natolik citlivé, že v případě nasazení standardních modulárních napájecích zdrojů běžně používaných pro telekomunikační satelity by jejich silné rušení znehodnotilo vlastní vědecká měření. Mnoho částí napájecí jednotky (LVPS-PDU) je rovněž z důvodů zvýšení spolehlivosti zdvojených nebo elektricky izolovaných, aby v případě selhání ostatních systémů mohlo k měření docházet alespoň s omezeným počtem vědeckých senzorů,” vysvětluje vedoucí realizačního týmu nízkonapěťového zdroje Štěpán Štverák z Astronomického ústavu AV ČR. Kolektiv z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR pro změnu vyvinul pro přístroj RPW digitální přijímač elektromagnetických vln, schopný samostatně identifikovat zajímavé úseky signálu, které budou odeslány na Zemi.

 

Spolupráce Akademie věd a Univerzity Karlovy
Pro francouzský Ústav pro astrofyzikální a planetární výzkum (IRAP) v Toulouse vyvinula a dodala skupina kosmické fyziky Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy desku vstupní elektroniky bloku spektrometru protonů a alfa částic PAS ze souboru přístrojů SWA (mezinárodní konsorcium Solar Wind plasma Analyzer). V konsorciu SWA, které vede Mullardova laboratoř kosmické fyziky (MSSL) ve Velké Británii, jsou také zapojeny vědecké instituce a firmy z USA a Itálie.

 

 

 

Komplex přístrojů Solar Wind plasma Analyzer je také jedním z 10 experimentů na sondě Solar Orbiter. Jeho tři senzory budou s vysokým časovým rozlišením měřit hustotu, rychlost a teplotu iontů a elektronů slunečního větru a dále sbírat údaje o iontovém složení a charakteristikách klíčových těžších prvků. Elektronická deska pro senzor PAS je konstruována s ohledem na předpokládanou vysokou radiační zátěž a náročné požadavky spolehlivosti během nejméně desetileté činnosti sondy Solar Orbiter.

 

V průběhu řešení projektu se nejprve vyvinuly desky prototypu a elektrického modelu, které prošly zkouškami ve Francii, a poté se ve spolupráci s tuzemským průmyslem zhotovily desky pro kvalifikační, letový a záložní model bloku PAS. Detektorové desky integrované v jednotlivých modelových blocích nyní procházejí náročnými kvalifikačními a funkčními testy. Letový blok PAS bude již počátkem srpna 2017 namontován na vlastní sondu.

 

Docent Lubomír Přech z Univerzity Karlovy vysvětluje, že účast v projektu umožňuje kontinuitu stávajícího vědeckého výzkumu s přístupem k předpokládaným unikátním družicovým datům: „Zároveň věříme v jeho atraktivitu pro naše budoucí studenty i veřejnost. Vážíme si tohoto, že jsme se zapojili do prestižního mezinárodního projektu, který přinesl kontakty a spolupráci s novými zahraničními i tuzemskými vědeckými laboratořemi a průmyslovými subjekty, hlubší zkušenosti s vývojem kosmických přístrojů, uplatnění technologií v návrhu kosmických přístrojů a sdílení know-how se zahraničními partnery.”


Kosmické projekty 2020+ a astrofyzika vysokých energií
Již nyní plánuje Astronomický ústav AV ČR, že se zapojí do dalších kosmických projektů. Jedním z nich je rentgenová observatoř Athena, která patří mezi vůbec největší chystané mise ESA. Jejím cílem je pochopit, jak se ve vesmíru vytvořily rozsáhlé struktury hmoty i to, jak se v centrech galaxií zformovaly obří černé díry o hmotnostech dosahujících až několik miliard násobků hmoty našeho Slunce.


Předpokládaný vzhled připravované observatoře ATHENA (ESA)

 

Družice bude mít na palubě natolik citlivé přístroje, že budou schopny zaznamenat čas a energii příletu každého rentgenového fotonu, tedy elementární částice vysokoenergetického záření. „Díky tomu bude Athena pořizovat spektra s bezprecedentním spektrálním rozlišením v rentgenovém oboru záření,” vysvětluje ředitel Astronomického ústavu AV ČR prof. Vladimír Karas.

 

Aby mohla družice zkoumat i slabé zdroje, například objekty vzdálené mnoho miliard světelných let, bude potřeba co nejvíce eliminovat nežádoucí vlivy způsobené nabitými částicemi ze slunečního větru. K tomu by měl sloužit magnetický odpuzovač, který tyto nabité částice včas odkloní z jejich případného směru do samotného detektoru. Takové zařízení dosud nebylo na žádné rentgenové družici realizováno.

 

Astronomický ústav AV ČR vyjednává s ESA o možnosti využít zkušenosti a odbornost české firmy Delong Instruments, jež vyrábí elektronové mikroskopy. V nich se také využívá magnetických polí k usměrňování nabitých částic. V současnosti je Athena ve studijní fázi, kdy se navrhuje design všech částí družice. Podle harmonogramu by měla být vypuštěna v roce 2028.

 

Mezinárodní týmy současně připravují projekty rentgenových družic, které se zaměřují na zcela nové okno do vesmíru – tzv. polarizované rentgenové záření. Tyto družice mají být menší, tudíž i finančně levnější, a jejich vývoj bude rychlejší. Očekávají se přitom významné objevy týkající se složení niter neutronových hvězd, tedy zhroucených hmotných hvězd, které svou hlavní část života zakončily dramatickým výbuchem v podobě supernovy. Prostřednictvím rentgenové polarizace lze studovat vlastnosti zakřiveného prostoročasu v těsném okolí černých děr a také jak černé díry vznikly a jak rychle rotují.

 

Není proto divu, že jsou mezi plánovanými projekty zastoupeny družice s rentgenovým polarimetrem hned u několika kosmických agentur – u NASA, ESA i kosmické agentury Čínské akademie věd. „Na všech třech misích se vědci z Astronomického ústavu AV ČR podílejí. Právě bohatá vědecká expertiza a tradice rentgenové astronomie v českých akademických instuticích, zahrnujících nejen náš ústav, ale i významné české univerzity, umožňuje zapojování do těchto impozantních projektů,” dodává prof. Karas.

 

Připravil: Luděk Svoboda, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Pavlína Jáchimová a Astronomický ústav AV ČR

20. 7. 2017