Kosmonautika XIX – Deset let SOHO

Slunce je pro udržení života na Zemi nezbytné, a proto je mu už několik století věnována soustavná pozornost vědců. S rozvojem kosmonautiky se objevila možnost pozorovat Slunce a jeho projevy z vesmírného prostoru. Do dnešních dnů bylo vypuštěno 194 družic a sond, které se nějakým způsobem podílely na zkoumání Slunce a jeho působení na dění ve sluneční soustavě. Nás však bude především zajímat sonda SOHO (SOlar & Heliospheric Observatory), která v prosinci 2005 oslavila 10 let od svého vypuštění.

Obr. 1: Kompletace vědeckého modulu sondy SOHO [8].

Obr. 2: Snímek mohutné eruptivní protuberance pořízený 1. července 2002 [9].

Obr. 3: Snímek „Vánoční komety“, která byla objevena sondou SOHO. Snímek byl pořízen 23. prosince 1996 [9].

Sonda SOHO je společným projektem NASA a Evropské kosmické agentury ESA, který je celý zaštítěn mezinárodními programy pro výzkum Slunce Solar Terrestrial Science Program (STSP) a International Solar-Terrestrial Physics Program (ISTP) [1]. Její vývoj a stavba přišly na 100 milionů euro a podílelo se na nich 1 500 vědců z 20 zemí. Sonda slouží ke komplexnímu průzkumu Slunce od jádra až po koronu a sluneční vítr, a jejím hlavním úkolem je zodpovězení základních otázek o naší mateřské hvězdě.

Konstrukce sondy je založena na modulární koncepci, kde základními bloky jsou servisní modul zajišťující pohon, komunikaci a dodávku elektrické energie a vědecký modul obsahující přístroje pro zkoumaní Slunce. Rozměry SOHO jsou 4,3 x 2,7 x 3,65 m, hmotnost při startu 1 850 kg (z čehož 610 kg připadá na vědecké vybavení). Elektrickou energii potřebnou pro fungování sondy dodává dvojice solárních panelů o rozpětí 9,5 m, jejichž nominální výkon je 750 W [1, 2]. Přístroje umístěné na sondě mají celkovou maximální spotřebu 450 W [3]. Stabilizaci ve všech třech osách zajišťují gyroskopické systémy, větší korekce jsou potom prováděny pomocí hydrazinových motorů. Veškeré vědecké přístroje jsou na SOHO, jak již bylo napsáno výše, uloženy ve vědeckém modulu, který tvoří horní část těla sondy. Zde je výčet těchto dvanácti přístrojů [podle 3, 4], z nichž na devíti pracovali vědci z Evropy a na třech ze Spojených států:

CDS (Coronal Diagnostic Spectrometer)
Vývoj: Rutherford Appleton Laboratory, Velká Británie
Přístroj CDS pracující v ultrafialové (UV) oblasti detekuje emisní čáry atomů a iontů ve vnitřní sluneční koroně. Zaměřuje se hlavně na získávání informací o plazmatu v rozsahu teplot od 10 000 po více něž 1 000 000°C, zejména o její hustotě.

CELIAS (Charge, Element, and Isotope Analysis System)
Vývoj: University of Bern, Švýcarsko
CELIAS nepřetržitě detekuje sluneční vítr a měří hustotu toku a povahu nabitých částic, které jej tvoří. Zároveň může varovat vědce na Zemi před případnou magnetickou bouří, jejíž působení může dočasně vyřadit z provozu či dokonce zničit družice na oběžné dráze nebo způsobit problémy v rozvodné síti elektrické energie (např. v Kanadě v březnu roku 1989).

COSTEP (Comprehensive Suprathermal and Energetic Particle Analyzer)
Vývoj: University of Keil, Německo
Detekuje a klasifikuje vysokoenergetické částice pocházející ze Slunce a meziplanetárního prostoru. Tento přístroj pracuje spolu s ERNE.

EIT (Extreme ultraviolet Imaging Telescope)
Vývoj: Institut d'Astrophysique Spatiale, Francie
Dalekohled EIT snímá celý sluneční disk na čtyřech vlnových délkách v UV oblasti. Vlnové délky odpovídají emisním čarám železa Fe IX/X, Fe XII, Fe XV a helia He II, což odpovídá teplotám 80 000 – 2 500 000°C.

ERNE (Energetic and Relativistic Nuclei and Electron Experiment)
Vývoj: University of Turku, Finsko
Detekuje vysokoenergetické částice, s energií větší než 1 MeV, pocházející ze Slunce a z kosmického záření. ERNE pracuje společně s částicovým analyzátorem COSTEP.

GOLF (Global Oscillations at Low Frequencies)
Vývoj: Institut d'Orsay, Francie
Přístroj GOLF měří oscilace Slunce na velmi nízkých frekvencích (10-2 – 10-7 Hz) a změny rychlosti těchto oscilací. To umožňuje zkoumat struktury slunečního nitra, které jsou jinak běžnými postupy nezjistitelné.

LASCO (Large Angle and Spectrometric Coronograph)
Vývoj: Naval Research Laboratory, USA
Koronograf LASCO pozoruje nepřetržitě velmi slabou vnější sluneční koronu a zaznamenává veškeré její projevy. Zároveň jsou pomocí tohoto koronografu objevovány a pozorovány komety, které se dostanou do blízkosti Slunce.

MDI/SOI (Michelson Doppler Imager/Solar Oscillations Investigation)
Vývoj: Stanford University, USA
Přístroj MDI detailně sleduje vertikální pohyby na slunečním povrchu, což vědcům umožňuje pozorovat neuvěřitelné projevy sluneční činnosti, jako jsou například „sluncetřesení“. Data získána pomocí MDI jsou využita k pochopení struktury a dynamických vlastností konvektivní zóny i jádra, což zároveň přispívá k rozšíření znalostí o podélné složce magnetického pole Slunce.

SUMER (Solar Ultraviolet Measurements of Emitted Radiation)
Vývoj: Max-Planck-Institut für Aeronomie, Německo
Přístroj SUMER zkoumá proudění, teplotu, hustotu a dynamiku plazmatu ve vnitřní koroně a přechodové zóně. Dále pak jevy spojené s magnetickou aktivitou Slunce.

SWAN (Solar Wind Anisotropies)
Vývoj: Service d'Aéronomie du CNRS, Francie
Jako jediný přístroj na sondě SOHO nesleduje přímo Slunce, ale je otočen přesně na opačnou stranu. Slouží k měření tzv. Lymanova alfa záření, které vzniká na atomech vodíku přilétajících do sluneční soustavy z mezihvězdného prostoru.

UVCS (UltraViolet Coronograph Spectrometer)
Vývoj: Smithsonian Astrophysical Observatory, USA
Koronograf UVCS pozoruje sluneční koronu v rozmezí 1,3 – 12 slunečních poloměrů od středu Slunce především v UV oblasti, ale také ve viditelném světle. Informace získané z pozorovaní mají posloužit k pochopení šíření slunečního větru koronou.

VIRGO (Variability of Solar Irradiance and Gravity Oscillations)
Vývoj: Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos, Švýcarsko
Přístroj VIRGO měří celkové záření Slunce i záření na jednotlivých vlnových délkách (RGB) a oscilace těchto hodnot od naměřených průměrů. Mezi další úkoly patří měření rovníkového a polárního průměru.

Jak je vidět z popisu jednotlivých přístrojů, provádí sonda SOHO velmi podrobný a obsáhlý průzkum Slunce. Velké množství přístrojů je zaměřeno na zkoumání slunečního větru, od jeho vzniku, až po interakci s mezihvězdným vodíkem. Málo známé jsou také vnitřní struktury Slunce a pochody, které zde probíhají. Odpověď na tyto a mnohé jiné otázky má přinést nebo už přinesla právě sonda SOHO.

Start sondy proběhl po odkladu místo 23. listopadu až 2. prosince 1995 v 8:08:01 UT z kosmodromu Cape Canaveral pomocí nosné rakety Atlas 2AS. Po vypuštění se sonda vydala na 4 měsíční cestu do Lagrangeova libračního bodu L1 soustavy Slunce – Země. V soustavě dvou hmotných těles je možno nalézt celkem 5 bodů, ve který je vyrovnána gravitační a odstředivá síla. Tyto body se označují jako Lagrangeovy librační body podle italského matematika Josepha-Louise Lagrange, který jako první vypočítal polohy těchto bodů. Librační bod L1, kolem kterého obíhá SOHO je ve vzdálenosti 1,5 milionů kilometrů od Země. Původně měla celá mise trvat dva roky a skončit tak v roce 1997. Bylo však rozhodnuto, že se celý projekt prodlouží do roku 2003 a nakonec se v roce 2002 posunul konec mise až na rok 2007. Bude tak zajištěno pozorovaní Slunce po celý jedenáctiletý sluneční cyklus [4].

Těch deset let, po kterých sonda SOHO zkoumá Slunce, dalo vzniknout mnoha zajímavým číslům, jenž poukazují na úspěch celé mise. Namátkou si několik z nich uveďme. Na základě údajů získaných sondou SOHO bylo vypracováno 140 disertačních prací a vědci uspořádali 3 230 seminářů k dané problematice. Objem dat, které jsou dostupné on-line na Internetu je přes 114 TB, což je téměř 25 000 DVD nebo 170 000 CD! Nejzajímavější ale je počet komet, které SOHO objevilo. Toto číslo již přesáhlo hranici 1 000 komet a řadí tak SOHO k nejúspěšnějším lovcům komet na světě [1].

Misi bohužel neprovází pouze vědecké úspěchy, ale objevují se i poruchy a závady nejrůznějšího charakteru. Asi nejdramatičtější situace nastala 24. června 1998, kdy při desaturaci gyroskopického stabilizačního systému došlo k chybě na měřících gyroskopech a sonda přešla do bezpečnostního režimu ESR (Emergency Sun Reacquisition). O den později bylo ze sondou ztraceno spojení. Až 3. srpna odpověděla sonda na povely vyslané ze Země a o týden později bylo obnoveno telemetrické spojení. Ukázalo se ale, že teplota družice je kolem 1°C a palivo pro motory (hydrazin) přešlo pravděpodobně do tuhého skupenství. Bylo zahájeno zahřívání nádrže i rozvodů paliva a zároveň regenerace palubních akumulátorů. Dne 3. září byla obnovena provozuschopnost palivového systému a 8. září dobíjení akumulátorů. Až 14. října 1998 byla, po téměř 5 měsících, obnovena vědecká pozorování [5]. Sonda SOHO přešla v průběhu své činnosti ještě mnohokrát do bezpečnostního režimu ESR a to jak plánovaně tak i nečekaně v důsledku nějaké poruchy. Několikrát byla sonda zasažena proudem vysokoenergetických částic z mohutných slunečních erupcí a docházelo k dočasnému vyřazení některých vědeckých přístrojů.

Evropská kosmická agentura ESA plánuje v roce 2015 vypustit sondu Solar Orbiter k průzkumu Slunce. Vše je zatím ve fázi schvalování, ale přesto již známe některé předběžné informace o misi. Oběžná dráha má být ve vzdálenosti pouhých 30 milionů kilometrů od Slunce a bude tak potřeba chránit sondu před zářením 25-krát intenzivnějším než jaké je u Země. Přístrojové vybavení sondy zatím není přesně známo a na jeho konečné podobě se stále pracuje, přece jenom je start naplánován až za 10 let [6].

Ještě ambicióznější program než ESA má americká NASA. Start sondy, která nese název Solar Probe, je plánován na rok 2014. V roce 2018 by měla sonda proletět ve vzdálenosti pouze 3 slunečních poloměrů, tj. asi 2 000 000 kilometrů, od povrchu Slunce a maximální rychlost průletu sondy bude neuvěřitelných 308 km/s! Hlavní vědecká měření začnou pět dní před největším přiblížení a skončí 5 dní poté, samotný blízký průlet ale bude otázkou několika málo hodin. Druhé přiblížení ke Slunci by mělo následovat v roce 2023. Protože bude Solar Probe vystavena vysokým teplotám a silné radiaci bude samozřejmě vybavena speciálním štítem, který ji před těmito vlivy ochrání. Zatím není známa technická realizace, ale bude jistě zajímavé sledovat, jak technici tento problém vyřeší [7].

Výzkum Slunce je tedy v plném proudu. A sonda SOHO před deseti lety zahájila sérii dalších misí, které se chystají pokračovat v podrobném průzkumu nám nejbližší hvězdy. Doufejme, že sonda SOHO bude ještě několik příštích let dobře sloužit, a že nedojde ke zrušení projektů Solar Orbiter a Solar Probe.