Na dosah Slunci poletí sonda Solar Orbiter. Klíčové přístroje dodali čeští vědci

Tato vědecká mise je součástí programu pod názvem Cosmic Vision (2015–2025). Byla potvrzena v roce 2011 a její start je plánován na únor 2019. Jejím cílem je komplexní studium Slunce a vnitřní heliosféry z bezprostřední vzdálenosti a tedy s vysokým rozlišením.

Sonda se dostane na vzdálenost asi 60 slunečních poloměrů, tedy 0,28 astronomické jednotky (astronomická jednotka = vzdálenost Slunce – Země). Bude na oběžné dráze podobné dráze Merkura, což umožní unikátní pozorování oblastí kolem obou slunečních pólů.

V okamžicích největšího přiblížení bude sonda nejblíže Slunci ze všech předchozích sond a bude nucena odolávat třináctkrát většímu tepelnému toku ve srovnání s tím, co dopadá na Zemi. Přístroje na palubě sondy mají objasnit tyto 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?

Aby bylo možno naměřit dostatečné množství nových fyzikálních údajů, musí být sonda i přístroje zkonstruovány tak, aby přežily obrovské teplotní zatížení i vysokou radiaci. Cesta od startu na oběžnou dráhu kolem Slunce potrvá téměř tři roky a během této doby bude probíhat pozorování heliosféry.

Po dosažení cílové dráhy budou přístroje na palubě opakovaně snímkovat jak celý sluneční disk, tak jeho vybrané oblasti. Rychlost pohybu sondy na její dráze se bude blížit k rotační rychlosti Slunce a to umožní stabilní pozorování vybraných oblastí.

Pro tato pozorování bude vybavená řadou přístrojů, celkem jich je deset – a mnoho z nich vzniklo v České republice.

Přístroj na pozorování erupcí

Spektrometr STIX je vlastně teleskop pro zobrazení rentgenových zdrojů. Umožňuje jejich zobrazení s vysokým prostorovým, spektrálním i časovým rozlišením. Využívá k tomu mozaiku 32 speciálních mřížek z wolframu spolu se stejně velkou mozaikou kadmium-teluridových detektorů.

Zaměřením na Slunce je takto vytvořen výkonný přístroj, umožňující studium fyzikálních procesů ve slunečních erupcích a v dalších energetických jevech ve sluneční atmosféře.

METIS, sluneční dalekohled

METIS je přístroj pro studium koróny, eruptivních procesů v koróně a slunečního větru. Jde v podstatě o dalekohled, který zastíní světlo slunečního disku a tím se docílí daleko vyššího kontrastu při pozorování slabě zářící koróny.

Klíčové optické elementy tohoto dalekohledu, tedy zobrazovací zrcadla, byla vyvinuta a vyrobena v České republice v laboratořích TOPTEC, které jsou součástí Ústavu fyziky plazmatu AV ČR.

Přístroj RPW

Česká akademie věd ve spolupráci s kroměřížskou firmou CSRC dodala plně funkční zařízení francouzské kosmické agentuře CNES. Ta je zodpovědná 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 regulaci, měření telemetrických údajů o spotřebě napájení a především filtraci škodlivého rušení. Přístroje umístěné na sondě jsou natolik citlivé, že v případě nasazení standardních modulárních napájecích zdrojů běžně používaných pro telekomunikační satelity by jejich silné rušení zcela znehodnotilo vlastní vědecká měření. Mnoho částí napájecí jednotky je rovněž z důvodů zvýšení spolehlivosti zdvojených nebo elektricky izolovaných tak, aby v případě selhání ostatních systémů mohlo k měření docházet alespoň s omezeným počtem vědeckých senzorů,“ říká Štěpán Štverák z Astronomického ústavu AV ČR, vedoucí realizačního týmu.

Jak změřit ionty

Tři senzory Solar Wind plasma Analyzer (SWA) 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 je konstruována s ohledem na předpokládanou velmi vysokou radiační zátěž a náročné požadavky spolehlivosti během nejméně desetileté činnosti sondy Solar Orbiter. Docent Lubomír Přech z Karlovy univerzity dodává: „Účast v tomto projektu umožňuje kontinuitu stávajícího vědeckého výzkumu s přístupem k předpokládaným unikátním družicovým datům. Zároveň věříme v jeho atraktivitu pro naše budoucí studenty i širokou veřejnost.“

Velké české úspěchy z posledních let

Solar Orbiter je jen jedním z několika vesmírných projektů, na kterých se česká kosmonautika v současné době podílí. Dalšími jsou například program Copernicus zaměřený na vzdálený průzkum Země nebo mise Swarm, která zkoumá zemský magnetismus. ČR se účastní rovněž mise Euclid, jež studuje temnou hmotu ve vesmíru.

V červnu Česko do vesmíru poslalo svou první technologickou nanodružici. Podle posledních informací českého Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu zatím funguje poměrně bez potíží a už zahájila první měření pro výzkum. Na palubě má miniaturizovaný rentgenový dalekohled, nový typ kompozitního materiálu pro stínění kosmické radiace a vědecký přístroj pro měření koncentrace kyslíku.

Budoucnost českého vesmírného výzkumu

Astronomický ústav AV ČR už plánuje zapojení do nově připravovaných vědeckých kosmických projektů. Jedním z nich je například rentgenová observatoř Athena, která patří mezi vůbec největší chystané mise ESA.

Jejím vědeckým 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. Družice bude mít na palubě natolik citlivé přístroje, že budou schopny zaznamenat čas a energii příletu každého rentgenového fotonu, tedy elementární částice vysoko-energetického záření.

„Díky tomu bude Athena pořizovat spektra s bezprecedentním spektrálním rozlišením v rentgenovém oboru záření,“ říká ředitel Astronomického ústavu AV ČR profesor 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 včas tyto nabité částice odkloní z jejich případného směru do samotného detektoru.

Astronomický ústav vyjednává s ESA o možnosti využít zkušenosti a odbornost české firmy Delong Instruments, jejímž hlavním portfoliem je výroba elektronových mikroskopů. V nich se také využívá magnetických polí k usměrňování nabitých částic. V současnosti je Athena ve své studijní fázi, kdy se navrhuje celkový design všech částí družice. Pokud vše půjde podle harmonogramu, vypuštění této prvotřídní mise se dočkáme v roce 2028.

Současně pracují mezinárodní týmy na přípravě projektů rentgenových družic zaměřených na zcela nové okno do vesmíru – tzv. polarizované rentgenové záření. Tyto družice mají být menší, tudíž i 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. Skrze rentgenovou polarizaci bude možné studovat vlastnosti zakřiveného prostoročasu v těsném okolí černých děr a umožní nám dozvědět se více o tom, jak černé díry vznikly a jak rychle rotují.

Rentgenová polarizace má také výrazný potenciál odhalit vlastnosti kvantových fluktuací ve vakuu a je tak zajímavá pro teoretickou fyziku. Není proto divu, že jsou mezi plánovanými kosmickými projekty zastoupeny družice s rentgenovým polarimetrem hned u několika kosmických agentur – u americké NASA, evropské ESA i kosmické agentury Čínské akademie věd.

„Na všech třech misích se vědci z Astronomického ústavu aktivně podílejí. Právě bohatá vědecká expertíza a tradice rentgenové astronomie v českých akademických institucích, zahrnujících nejen Astronomický ústav, ale i přední české univerzity, umožňují zapojování do těchto impozantních projektů,“ dodává profesor Karas.