ŰRFIZIKA AZ EZREDFORDULÓN

Szegő Károly
KFKI RMKI

Az űrkutatás az a tudományág, amelynek a kezdete sokak szerint pontos dátumhoz köthető, mert az első, in situ méréseket végző űrszondát 1957. október 4-én indították útjára a Szovjetunióból. Az űrkutatás igen gyorsan fejlődött, és hamarosan két eltérő út alakult ki.

1) az űr kutatása robotok segítségével,

2) az űr kutatása emberek bevonásával.

Gyorsan fejlődtek az alkalmazások is, mai életünk szinte már elképzelhetetlen a távközlési és meteorológiai műholdak nélkül; a távérzékelés fontos eszköze lett a környezet védelmének, erőforrások felkutatásának stb.

Az űreszközök (robotok) segítségével végzett kutatások tárgykörük szerint oszlanak két csoportra: a Naprendszer kutatására és asztrofizikai-csillagászati kutatásokra. Elválasztható e két csoport aszerint is, hogy a Naprendszer kísérleti vizsgálata többnyire in situ méréseket jelent, míg az asztrofizikai kutatásokra azért használnak űrtávcsöveket, hogy megszabaduljanak a légkör zavaraitól és spektrális korlátaitól. Noha az űrkutatás tematikájából sok minden a fizika tárgykörébe tartozik, a szokásos szóhasználat szerint az  ű r f i z i k a (space physics) a Naprendszer vizsgálata (solar system exploration) során felmerülő fizikai kutatások megnevezésére szolgál.

A Naprendszer megismerése során három fő kérdésre keresünk választ:

Az első kérdéskör a csillagászok, biológusok és vegyészek területe, a második vizsgálatába már fizikusok és planetológusok (a geofizikusok és geológusok analógjai) is bekapcsolódnak, a harmadik kérdéskörrel csaknem kizárólag fizikusok foglalkoznak. Azt mondhatjuk, hogy az űrfizika arra keresi a választ, hogyan működik itt és most a Naprendszer.

Ahhoz, hogy e kérdésre választ adhassunk, tudnunk kell, hogy miből "áll" a Naprendszer. A Nap, a bolygók, az üstökösök és aszteroidák, más szilárd testek a Naprendszer ismert alkotórészei. Kevesen gondolnak arra azonban, hogy a Naprendszert kitöltő "űr" is különbözik a semmitől, az egy rendkívül híg, de specifikus tulajdonságokkal rendelkező anyag. Ennek zöme a Napból árad, de kerül bele a bolygók és üstökösök anyagából és a csillagközi térből is, például kozmikus sugárzás formájában.

A bolygóközi anyag fő összetevői a Napból kiáramló töltött részecskék, ezek 96%-a proton, 4%-a alfa-részecske, de mintegy 0,1%-ban nehezebb ionok is találhatók benne. A Napból kiáramló töltött részecskeáram a  n a p s z é l.  Sebessége a Föld környékén 400-800 km/s között változik, sűrűsége a Föld környékén mintegy 10 részecske/cm³, azaz olyan ritka, hogy mozgásuk gyakorlatilag ütközésmentes. A napszél kvázisemleges, nagyjából ugyanannyi pozitív, mint negatív részecskét tartalmaz. A töltött részecskék egymás elektromos terét leárnyékolják.

Ez az árnyékolási távolság ugyan száz méter nagyságrendű a bolygóközi térben, de így is elhanyagolható a Naprendszer méretéhez képest. Az olyan ionizált gázt, amelyben az árnyékolási távolság kicsiny az elfoglalt térrészhez képest, plazmának nevezzük. A napszél  h í g  p l a z m a.  A plazma töltött részecskéi között elektromágneses terek ébrednek. Ha a plazmában az ütközések relatív gyakorisága kisebb, mint a terek jellemző frekvenciája, és a szabad úthossz nagyobb, mint a terek karakterisztikus változásainak a mérete, akkor a híg plazma  ü t k ö z é s m e n t e s.  Az ütközésmentes plazma mozgásegyenletei formailag olyanok, mint a folyadékok mozgásegyenletei, ezért a napszelet úgy képzelhetjük el, mintha a Napból áradó szuperszonikus folyadék öntené el a környezetét (a napszél szuperszonikus, mert a sebessége nagyobb, mint a plazmára jellemző hangsebesség és az Alfvén-sebesség). Ez a szuperszonikus folyadék kölcsönhatást közvetít a Nap és a bolygók között. E folyadék valahol szembetalálkozik a csillagközi térből áramló híg plazmával. Az a tartomány, ahol a napszél domináns a csillagközi közeghez viszonyítva, a  h e l i o s z f é r a.

Miután 1962-ben kísérletileg kimutatták a napszél létét, az űrfizika egyik első célja, a bolygóközi híg plazma tulajdonságainak feltárása lett. Csak a hetvenes évekre sikerült megérteni, hogyan alakulhat ki lökéshullám ütközésmentes plazmában. Hannes Alfvén 1970-ben kapott Nobel-díjat e közeggel kapcsolatos kutatásaiért. Az ezredfordulóig az alábbi témakörök állnak az űrfizikai kutatások középpontjában:

A továbbiakban részletesebben megvilágítjuk e témakörök tartalmát, utalva arra is, hogy milyen területeken folynak hazai kutatások.

A helioszféra háromdimenziós szerkezete. A Földről indított űrhajók a Földről impulzusmomentumot visznek magukkal, ezért a 90-es évekig a szondák lényegében csak az egyenlítő síkjában tudtak méréseket végezni, így a Naprendszernek csak egy "kétdimenziós" tartományát tudták vizsgálni. 1990-ben sikerült először az Európai Űrügynökség ULYSSES szondáját a Jupiter gravitációs terének felhasználásával olyan pályára vezérelni, hogy az 1994 szeptemberében elrepült a Nap déli pólusa felett, 1995 őszén pedig a Nap északi pólusát is megvizsgálta; azaz először sikerült ismeretet szerezni a helioszféra háromdimenziós szerkezetéről. Az egyik érdekes eredmény azt igazolta, hogy a Nap egyenlítőjének tájékáról érkező napszél (ahol a mágneses erővonalak zártak) lassú, mintegy 400 km/s sebességű, míg a magas szélességekről származó részecskeáram (ahol a mágneses erővonalak messze kinyúlnak) nagysebességű, 800 km/s sebességet is elér. A szonda mágneses mérései kimutatták, hogy a sarkok közelében a Nap mágneses tere eltér a dipólustértől. Magyar kutatók az ULYSSES szonda mágneses méréseiben vesznek részt.

Hogyan működik a Nap? A Nap a legközelebbi működő csillag. Bár érteni véljük az energiatermelési mechanizmusát, e hatalmas plazmacsepp számos tulajdonságát nem tudjuk megmagyarázni, például azt sem, hogyan és miért változik meg 11 évenként a Nap mágneses polaritása, és ez hogyan függ össze a napfoltok periodikus megjelenésével. Az Európai Űrügynökség 1995 végén tervezi a SOHO nevű napfizikai obszervatórium felbocsátását. Magyar kutatók a SOHO szonda töltött-részecske méréseiben vesznek részt.

Magnetoszférák összehasonlító vizsgálata. Valamennyi bolygó és aktív üstökös körül kialakul egy plazmatartomány a bolygó mágneses tere (ha van), a bolygóeredetű ionok és a napszél kölcsönhatásának eredményeképpen. A korábbi missziók során nagyjából sikerült megismerni az egyes bolygók magnetoszféráit. A jelenlegi missziók egyik fontos feladata az egyes magnetoszférák hasonlóságainak és eltéréseinek vizsgálata. Magyar kutatók részt vesznek az Orosz Űrügynökség MARS-96 missziójának plazmaméréseiben és a NASA CASSINI missziójának mágneses és töltöttrészecske méréseiben.

A földi magnetoszféra térbeli és időbeli változásainak szétválasztása. Az űrmissziók során egy űrszonda méréseinek segítségével sokszor nehéz elválasztani, hogy egy jelenség azért változik, mert a szonda más helyen mért, vagy azért, mert későbbi időpontban mért. A térbeli és időbeli jelenségek szétválasztása, a plazmafolyamatokra jellemző vektormennyiségek valamennyi komponensének meghatározása csak több szonda egyidejű mérésével lehetséges. Ez persze drága, erre csak az Európai Űrügynökség 1996 elején felbocsátandó CLUSTER missziója során lesz először lehetőség. A misszió keretében négy, tetraéderes elrendezésben repülő szonda végez egyidejű méréseket. A magyar kutatók a CLUSTER misszió mágneses és elektron méréseiben vesznek részt. A misszió valamennyi adata Európában egy osztott adatbázisban kerül tárolásra. Az egyik adatbázis az RMKI-ban lesz, ez a hazai kutatóknak rendkívül jó lehetőségeket biztosít az adatfeldolgozásra.

Az űrbeli időjárás előrejelzése. A napkitörések, a földi magnetoszféra viharai megviselik a kiterjedt földi rendszereket, időnként megbénítják a Föld körül keringő (különböző célokat szolgáló) űrhajókat. Ennek úgy lehet elejét venni, ha sikerül előrejelezni e folyamatokat, és az űrhajók (illetve a földi rendszerek) üzemeltetését úgy alakítani, hogy a krízishelyzetek elkerülhetőek legyenek. Az eddigi eredmények igen biztatóak.