A NAP STEREOBAN

Kecskeméty Károly, Szegő Károly
KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet

A magyar űrkutatás születését Bay Zoltán Holdradarkísérletétől számítjuk, így is ünnepeltük ezt 1995-ben. Nem volt véletlen ez a választás, hiszen ekkor vizsgáltak először égitestet magyar kéz készítette berendezés segítségével. Lassan kibontakozott az ionoszféra kutatása, majd a műholdak földi megfigyelése, amelyből a felső légkör szerkezetére lehetett visszakövetkeztetni. A hetvenes évek után kezdődött meg a fedélzeti elektronikus berendezések építése, és így hazánk is belépett az űreszközöket létrehozó, in-situ űrkísérleteket végző nemzetek táborába. Kialakultak nemzetközi együttműködéseink, hiszen űrkutatással nem foglalkozhat egy kis ország egymagában.

Az űrkutatás területén dolgozó kutatók egy része külföldre került, és sok magyar kezdett űrfizikával foglalkozni azok közül is, akik fiatalabb korukban hagyták el hazánkat. Már régóta körvonalazódik az a gondolat, hogy valamilyen alkalomból összegyűjtsük itthon a külföldre szakadt, magyar származású, űrfizikával, űrkutatással foglalkozó tudósokat. Bay Zoltán születésének századik évfordulója és a magyar államalapítás ezredik éve végül megadta a kellő lökést, hogy megszervezzük ezt a találkozót. Ez jó alkalom volt arra is, hogy összefoglalóan bemutassuk számukra, hol is állunk a szakmában. Ennek számos eleme persze jól ismert volt, hiszen nagyon sok misszióban közösen veszünk részt; de egy összefoglaló kép a hazai lehetőségeinkről, a műszaki háttérről és annak perspektíváiról, a magyar űrkutatás stratégiai céljairól talán mindenkinek adott új ismeretet is, és nagyon hasznos volt ezekről eszmét cserélni.

Az ott elhangzottak közül e cikkben a Naprendszer kutatása terén kialakított amerikai együttműködéseinket ismertetjük, és elsősorban azt a NASA űrmissziót, amelyikhez épp ez évben, Bay Zoltán születésének századik évfordulóján csatlakoztunk, ez a NASA "STEREO" nevű missziója. Az amerikai együttműködéseink részben amerikai egyetemekkel alakultak ki (University of Michigan, Ann Arbor, MI; University of San Diego, La Jolla, CA; University of Arizona, Tucson, AZ; University of Colorado, Boulder, CO; és University of Kansas, Lawrence, KS), részben pedig a NASA-val kialakított együttműködési szerződések alapján veszünk részt a CASSINI és a STEREO missziókban.

Az egyetemekkel kialakított együttműködések nagyobb része a korábbi missziók adatfeldolgozásához, és azok modellezéséhez kapcsolódik. Egyik feladatként a napszél kölcsönhatását vizsgáljuk a Vénusszal, a Marssal és az üstökösökkel. Egy másik probléma a töltött részecskék terjedésének modellezése a helioszférában. Érdekes kérdés a Naprendszerben (részben a bolygók környezetében, részben a bolygóközi térben) található por mozgásának és tulajdonságainak vizsgálata is. Előkészítjük az űrmissziók soron következő méréseinek analízisét, modellezve a mai ismeretünk szerint lejátszódó folyamatokat. E közös kutatások részleteinek ismertetése külön cikket (cikkeket) kívánna meg.

Az 1997-ben felbocsátott CASSINI misszió sikeresen működik. A szonda túljutott pályájának elő három mérföldkövén, kétszer került sor pályakorrekcióra a Vénusz mellett, majd 1998. augusztus 18-án a Föld térségében. Áthaladása szabad szemmel is megfigyelhető volt, ennek fényképét mutatjuk be az 1. ábrán. Mivel a szonda a Naprendszer távoli térségeinek felkutatására készült, nem lehetett hosszú időre bekapcsolni a berendezéseket, amikor a szonda a Földnél közelebb volt a Naphoz, mert ez túlmelegedésekhez vezetett volna. Csökkenteni lehetett ennek veszélyét az által, hogy a szonda nagy tányérantennáját a Nap felé fordították, árnyékot vetve a fedélzet nagy részére, de ekkor sok műszer látómezeje rossz irányba fordult. Ezért ez az időszak inkább csak a műszerek rövid kipróbálására volt alkalmas, igazi tudományos programot még nem lehetett végrehajtani. A Föld melletti elhaladáskor azonban bekapcsolták valamennyi fedélzeti műszert. A magyar részvétellel készült CAPS töltött részecske spektrométer és a magnetométer méréseiben nyomon követhetőek voltak a Föld plazmakörnyezetének karakterisztikus plazmaeseményei. A CASSINI szonda ez év decemberében közelíti meg a Jupitert, ez lesz az első teljes tudományos kísérletsorozata. Ennek különlegessége, hogy a méréseket a GALILEO szondával együtt lehet végezni, és így jól vizsgálható a különböző térrészekben lejátszódó események kapcsolata. Elősegítik majd az analízist a nagy űrtávcsövekkel közösen végzett megfigyelések is.

A jelenlegi tervek szerint 2004-ben induló, őt évre-e tervezett STEREO misszió elnevezése a hagyományok szerint betűszó: a Solar-TErrestrial RElations Observatoty kezdőbetűiből alakult ki. A kezdőbetűk ebben az esetben tökéletesen fedik a program lényegét: sztereóképek készítését a Napról. Tudományosan deklarált célja a Nap aktivitásának mélyebb megértése, amelynek révén előre jelezhetjük a napkitöréseket és a helioszférára gyakorolt hatásukat. Annak érdekében, hogy megérthessük e kísérletsorozat jelentőségét, először összefoglaljuk, mit is tudunk ma a Nap felszíni rétegeinek működéséről.

1. ábra. A Cassini űrhajóról Kanadából készült kép 1999. augusztus 18 án, mintegy másfél órával a Föld megközelítése után. A kép 100 másodperc expozíciós idővel készült.

Napunk hosszú időtávon várható viselkedését a csillagászat más csillagokkal való analógia alapján aránylag megbízható módon képes megjósolni, de a rövid, néhány óra és néhány év közötti, földi életünk számára meghatározó időtávra jellemző események tekintetében azonban közvetlenül a Napról gyűjtött ismeretekre vagyunk utalva. Közhely, hogy az űreszközök a csillagászat minden területén forradalmi előrelépést hoztak, de érdekes módon a Nap esetében ez az áttörés csak az utóbbi néhány évben következett be, főképp az Európai Űrügynökség SOHO nevű napobszervatóriuma felfedezéseinek köszönhetően. A SOFIO sikere erőteljes lökést adott az elkövetkező évek Napot vizsgáló űrprogramjainak, a NASA két kisméretű hold, az 1998-ban felbocsátott TRACE és a 2000-re tervezett HESSI mellett a közeljövőben két nagyobb misszió indítását is tervezi. A STEREO a földpálya mentén két pontból végez egyidejű megfigyeléseket, a Solar-B pedig igen közelről (körülbelül 20 millió km-ről, a Nap-Föld távolság mintegy hetedéről) nagyobb felbontással figyeli majd a Napot és környezetét.

Az űrkutatás utóbbi éveiben kezdenek előtérbe kerülni a több, azonos felszereltségű űrszonda koordináltan végzett mérései, ennek remélhetőleg sikeres példája lesz a Föld körüli pályára állított négy Cluster műhold, melyeket ez év nyarán indítottak. A különböző helyen végzett egyidejű mérések általában az időbeli és térbeli változások megkülönböztetésére adnak lehetőséget, a képalkotásnál pedig - mint a STEREO esetében is - a háromdimenziós kép rekonstruálása válik lehetővé.

Az ESA és a NASA együttműködéseként 1995. december 2-án indult a SOlar Heliospheric Observatory (SOHO) űrszonda, hogy 2 és fél hónappal később elfoglalja a Nap-Föld rendszer L1 jelű, a Nap-Föld egyenesen a Földtől körülbelül 1,5 millió km-re elhelyezkedő Lagrange pontja körüli elliptikus halo pályáját. Az eddigi Föld körül keringő holdak (SMM, Yohkoh) után most lehetőség nyílt a Nap folyamatos, a földi hatásoktól mentes vizsgálatára igen széleskörű műszerezettséggel. A Nap belső szerkezetét vizsgáló helioszeizmológiai berendezések, a napkoronát felderítő széles hullámhossztartományban működő teleszkópok és a napszelet, illetve nagyobb energiájú töltött részecskéket észlelő detektorok mind igen sikeresen működnek a mai napig, egy földi irányítási hiba miatt bekövetkezett 3 hónapos kényszerszünet ellenére. A rendkívüli jelentőségű eredmények közül említést érdemel a Nap belsejének mélységtől függő differenciális
rotációja, a "szoláris tomográfia", mellyel követhetővé vált az aktív területek fejlődése a felszín alatt, sőt ezeket a Nap túlsó oldalán is lehet "látni"; azonosították a gyors napszél forrását, a kromoszféra "mágneses szőnyegét". Legnagyobb jelentőségű talán mégis egy már ismert jelenség, a koronakitörések (Coronal Mass Ejection, CME) folyamatos nyomon követése. A SOHO programban Magyarország is részt vesz a töltött részecske detektorok egyikének, az alacsony energiájú (40 keV - 6 MeV) elektronok és protonok fluxusát mérő LION méréseinek feldolgozásában.

2. ábra. Koronakitörés a SOHO LASCO koronográfjának felvételén.

Az 1971-ben az OSO-4 műhold koronográfjának képein felfedezett, majd később a Skylab, a Solwind és a Solar Maximum Mission fedélzetén rendszeresen megfigyelt kitörések során a Nap koronájából néhány köbkilométer vízzel azonos tömegű plazma áramlik ki. A képeken hurokszerű kifényesedésként (2. ábra) észlelt plazmafelhők kinetikus sebessége 100 km/s-tól mintegy 2000 km/s-ig terjed (a napszél átlagos sebessége a földpálya környékén 400 km/s). Gyakoriságuk erősen függ a Nap általános aktivitásától, napfolt-minimum idején 0,8/nap, maximumban azonban 3,5/nap átlagosan. A kitörések aktív vidékekhez, napfoltcsoportokhoz kapcsolódnak, gyakran együtt járnak a flernek nevezett erős kifényesedésekkel. Igazi jelentőségüket az általuk a bolygóközi térben keltett lökéshullám és a felgyorsított nagy energiájú töltött részecskék jelentik. A részecskegyorsítás azonban aránylag ritkán, az esetek 1-2 százalékában fordul csak elő, azt azonban még nem tudjuk, hogy ez mivel függ össze. A legnagyobb szoláris részecske-események idején a 100 keV-től több 100 MeV-ig terjedő energiatartományban a részecske (főként proton és elektron) fluxus 5-6 nagyságrenddel is megnőhet, és ilyenkor a Naptól minden irányban kifelé terjedő halo koronakitörést látunk. Szerencsénkre a Föld mágneses mezeje csak a még ezeknél is nagyobb energiájú részecskéket engedi át, leszámítva a mágneses pólusokat. Ott a beáramló részecskék mágneses vihart és látványos sarki fényjelenséget keltenek. E kitöréseknek a környezetünkre gyakorolt hatása folytán rendkívüli gyakorlati jelentősége is van, ennek vizsgálatára új szakterület, az űridőjárás előrejelzése van kialakulóban.

A napaktivitás változásai erősen befolyásolják a Földet, ez a befolyás azonban nem korlátozódik a légkörre. Technikai civilizációnk a fejlődéssel egyre érzékenyebbé válik a hatalmas részecskeáramok keltette jelenségekre. A közvetlen hatásnak kitett műholdak reagálnak a legérzékenyebben. A geoszinkron-pályán keringő távközlési műholdak, a Global Positioning System holdjai, katonai műholdak, de az embereket szállító űrhajók utasai is (elsősorban űrsétáló űrhajósok) a nagyenergiájú részecskék miatt közvetlen veszélynek vannak kitéve. Az alacsony geomágneses szélességen repülő utasszállítók utasait ennél sokkal kisebb, de még mindig jelentős sugárzási terhelés érheti. Az ionoszférába beáramló töltött részecskék megváltoztatják annak vezetőképességét és ezzel a rövid hullámhosszú rádióhullámok terjedését. Már századunk első évtizedeiben észrevették, hogy a mágneses tér változása miatt ilyenkor indukálódó nagy áramok kiterjedtebb jelenségeket okoznak, elsősorban a nagyfeszültségű távvezetékekben, olajvezetékekben, telefonkábelekben, de még a talajban is. E hálózatok egyre nagyobb mértékű globalizálódása miatt többször került sor ilyen okból az áramellátási rendszer összeomlására nagy területeken. A koronakitörés számára a Napon való megjelenésétől a Földig az út átlagosan 3 napig tart, így van idő a felkészülésre. Igen nagy jelentősége van azonban annak, hogy a mágneses vihar időpontját minél pontosabban legyünk képesek előre jelezni - űridőjárás-előrejelzés - és ezzel minimális időtartamra korlátozni a védelmi intézkedéseket.

Úgy tűnik, hogy a koronakitörések révén fejlődik a korona a Nap aktivitási ciklusának folyamán és talán rajtuk keresztül távozik a Napban levő dinamó által generált mágneses fluxus a helioszférába. A koronakitöréseknek a bolygók magnetoszférájával, az üstökösökkel, a kozmikus sugárzással való kölcsönhatása messze túlmutat a napfizikán, talán hozzásegíthetnek megértésükhöz az asztrofizikai analógiáik, amelyekre az akkréciós korongokban és aktív galaxismagokban számíthatunk.

A koronakitörések komplex jelenségét még alig értjük. Lényegében egy kezdetben zárt és valószínűleg csavart mágneses erővonalakkal rendelkező térrészből kiindulva korona- és kromoszférikus plazmaerupció megy végbe. A jelenség értelmezésére számot tartó modelleknek meg kell magyarázniuk, mi okozza az erupciót, hogyan és milyen skálán jön létre, halmozódik fel a szükséges energia. Egyes elképzelések szerint a napfelszíni mozgások mágneses nyírása okozza az egyensúly felbomlását a koronában; mások szerint a felszín alatti tartományokból származó mágneses struktúrák plazma-instabilitáshoz vezethetnek a koronában; a felszín alól fölemelkedő mágneses fluxus egy korona-árkádjában az egyensúly felbomlik; egy nagy flerből származó termikus robbanási (blast) lökéshullám szétnyitja a koronát; a koronában egy alacsony sűrűségű üreg által keltett felhajtóerő eredményezi a kitörést. A modellek között a választást, illetve a jobb modellek kidolgozását nagyban elősegítheti az eddig csak egy pontból észlelt struktúrák térbeli szerkezetének megértése.

A koronakitörésekkel kapcsolatos alapvető kérdésekre a koronakitörések vizsgálatát célzó űrprogramtól választ várhatunk:

• Mi a koronakitörések eredete, mi indítja el az őket, és mik a következményeik?
• Milyen fizikai folyamatok játszanak szerepet a koronakitörések fejlődésében a helioszférában (például mágneses erővonal összekapcsolódás)?
• Milyen gyorsítási mechanizmusok révén és hol gyorsulnak fel a nagyenergiájú töltött részecskék?
• Milyen a plazma és a mágneses tér szerkezete és dinamikája a koronakitörések környezetében a napkoronában és a bolygóközi térben?
• Hogyan működik a dinamó a Nap belsejében?

Az űrmisszió tudományos célja a Nap aktivitásának mélyebb megértése, amelynek révén előre jelezhetjük a napkitöréseket és a helioszférára gyakorolt hatásukat. Követnie kell a koronakitörések által keltett zavarok terjedését a Naptól a Földig, fel kell mérnie a zavar előtti térrészben a napszélplazma állapotát. Pontosan ismereteket kell nyújtania a korona koronakitörés előtti állapotáról, a koronakitörés elindulásának időpontjáról, a plazmafelhő méreteiről, tömegéről, szerkezetéről, sebességéről, mozgási irányáról (jelenleg például a látóirányra merőleges sebességkomponenst tudjuk csak mérni). Ebből a célból két azonos műszerezettségű űrszondát indítanak Nap körüli pályára, melyek a Föld pályája mentén, előtte, illetve mögötte keringenek, lassan eltávolodva a Földtől. Két év alatt az elől haladó 45 fokos, a hátulsó 60 fokos szögnyire mozdul majd el. A két STEREO szonda teleszkópok segítségével széles elektromágneses spektrumban egyidejűleg készít képeket, melyeket egymással és a Földhöz közeli képekkel egybevetve lehetővé válik a Nap háromdimenziós képének megalkotása. Fejlett képfeldolgozó módszerek segítségével előállítható az egyes struktúrák térbeli képe, ez a röntgen, illetve extrém ultraibolya hullámhossz-tartományban ígéretes például az erővonal összekapcsolódás vagy a hurok-hurok kölcsönhatás részleteinek felderítésében. Emellett két pontban magnetométerek és töltött részecske detektorok vesznek mintát a napszélplazmából, közvetlen ellenőrzési lehetőséget nyújtva a koronakitörések és bolygóközi lökéshullámok modelljei számára.

A STEREO négy műszercsoportot visz magával, A SECCHI (Sun-Earth Connection Coronal and Heliospheric Investigation) 4 távcsövet foglal magába. Ezek közül kettő - egy széles és egy keskeny látószögű - a látható fény tartományában működő koronográf (a napkoronát észlelő teleszkóp), egy extrém ultraibolya távcső (a SOHO EIT műszerének javított változata). Ezek mellett szerepel még egy új típusú, rendkívül széles látószögű, mintegy 300 napsugár távolságig működő műszer (Helio spheric Imager), amely a világon először ad majd képet a koronakitörések bolygóközi térbeli terjedéséről. A WAVES műszer nevének megfelelően antennákból áll és 10 kHz-től 16 MHz-ig terjedő frekvenciájú rádióhullámokat detektál. A PLASTIC (PLAsma and Supra-Thermal Ion Composition) berendezés méri a napszél protonjainak és alfa-részecskéinek eloszlásfüggvényét, a részecskék sűrűségét, sebességét, hőmérsékletét és ezek anizotrópiáját; valamint a nehezebb ionok elemösszetételét, töltés szerinti eloszlását, sebességét, hőmérsékletét.

3. ábra. A STEREO működésének vázlata.

A negyedik detektoregyüttes, az IMPACT (In situ Measurements of Particles and CME Transients) a napszélplazma in situ analízisével és elméleti modellezéssel járul hozzá a programhoz. Az alábbi műszereket foglalja magába:

• Az SW kísérlet méri a napszélben található szupertermikus protonok és hélium-magok háromdimenziós sebességeloszlását, a nehezebb magok tömeg- és töltéseloszlását, valamint az elektronok fluxusát igen széles energiatartományban a hideg plazmától (kT < 1 eV) mintegy 100 keV energiáig.
• A magnetométer méri a mágneses térerősség vektorát.
• A szoláris energikus részecske (SEP), kísérlet nagyobb energiájú elektronokat (0,02-8 MeV) protonokat és alfa-részecskéket (0,03-100 MeV/amu), valamint 3He és nehezebb magokat (0,03-40 MeV/amu) detektál 4 különböző részecsketeleszkóp segítségével.

Az IMPACT szerepe elsősorban abban áll, hogy az iker-űrszondák segítségével összekapcsolhatóvá válnak az egyik szonda koronográfjával a Napkoronában észlelt 3 dimenziós alakzatok a másik által lassú napszélben detektált struktúrákkal. Ezáltal jelentős előrelépést várhatunk a szoláris részecskeeseményekben végbemenő részecskegyorsítás és terjedés megértésében és a koronakitörések és a nap mágneses ciklusa közötti összefüggés felderítésében. A koronakitörések eredetére nézve az elektronok és szupertermikus ionok anizotrópiájának nagy pontosságú mérésével lehetővé teszi, hogy a bolygóközi koronakitörés és a Nap közötti mágneses összeköttetést megtaláljuk.

A STEREO misszió tervét a NASA 1999-ben hagyta jóvá. Ekkor még a tervekben szerepelt, hogy fedélzeti elektronikát is készítünk a szondára, ez azonban a szűkös lehetőségek miatt meghiúsult. A modellezésben való részvételünk és ennek révén a mérési adatok felhasználásának lehetősége azonban megmaradt. A napszélplazma észlelésére tervezett IMPACT műszercsoport résztvevői nagyszabású együttműködést terveznek a koronakitörések kialakulásának, fejlődésének és bolygóközi térben való terjedésének modellezésére. A bolygóközi terjedés numerikus szimulációját a Michigan Egyetemen (USA) kifejlesztett háromdimenziós magnetohidrodinamikai modell hivatott végrehajtani. A pillanatnyilag legfejlettebbnek számító adaptív rács technikával a leggyorsabb szuperszámítógépeken már a valós időnél gyorsabban tudják a szimulációt megvalósítani. Magyarországon a KFKI Részecske és Magfizikai Kutatóintézet kutatói ebbe a modellezésbe kívánnak bekapcsolódni egy olyan, a szoláris eredetű, nagyenergiájú töltött részecskék terjedésére vonatkozó modell felhasználásával, amely a szimulált mágneses mezőben oldja meg a részecskék időfüggő transzport egyenleteit. A majdan mért adatokat az így kapott űridőjárás-előrejelzésekkel összehasonlítva nagy előrelépés várható a gyorsítási-terjedési modellek tekintetében.

A STEREO misszióról az alábbi internet helyeken található bővebb irodalom:

http://stprobes.gsfc.nasa.gov/stereo.htm,

http://sprg.ssl.berkeley.edu/impact

_____________________________