Hyppää pääsisältöön

Avaruusalus, jonka tehtävä on grillaantua Auringossa

Solar Orbiter tutkii aurinkoa
Solar Orbiter tutkimassa Aurinkoa (piirros). Solar Orbiter tutkii aurinkoa Kuva: ESA avaruusluotaimet

Kreikkalaisessa mytologiassa Ikaros nousi lentoon käsiinsä kiinnitetyillä siivillä, jotka oli tehty vahasta ja linnun sulista. Lento päättyi kuitenkin ikävästi, koska hän nousi lähelle Aurinkoa ja sen paahde sulatti siivissä olleen vahan. Toivottavasti lähelle Aurinkoa laukaistava Solar Orbiter ei koe tätä samaa kohtaloa. Ikarokseen verrattuna sen kokema kärvennys on aivan toista luokkaa, sillä sen pinta kuumenee pahimmillaan noin 520°C:n lämpötilaan.

Aurinkoa on tutkittu viimeisten vuosikymmenten ajan monin eri avaruusluotaimin. Eurooppalaistekoinen Ulysses oli 1990-luvun puolivälissä huima laite, joka kiersi Aurinkoa kuten planeetat, mutta sen napojen yli ja ali kulkeneella kiertoradalla. Sen avulla saatiin upeaa tietoa siitä, millainen Aurinko on alueilla, jotka täältä maapallolta katsoessa ovat piilossa. Samoihin aikoihin laukaistu SOHO, pian 25-vuotias sissiluotain, puolestaan seuraa herkeämättä (yhä edelleen!) Auringon toimia kaukoputkillaan ja kameroillaan Maan ja Auringon välissä olevalta havaintopaikaltaan.

Nasa puolestaan on lähettänyt kaksi STEREO-nimistä luotainta katsomaan Aurinkoa sen sivuista ja takaa, eli jälleen paikoista, minne täältä maapallolta emme voi nähdä. Solar Dynamics Obervatory, eli tuttavien kesken SDO, puolestaan tarkkailee Aurinkoa kuten SOHO, mutta uudemmilla havaintolaitteilla.

Solar Orbiter testattavana
Solar Orbiter testattavana Saksassa. Tässä luotaimelle tehdään sähkömagneettisia mittauksia, minkä vuoksi se on puusta tehdyssä testitilassa. Solar Orbiter testattavana Kuva: IABG avaruusluotaimet

Eurooppalaisten ja amerikkalaisten yhteistyö Auringon tutkimisessa jatkuu nyt kahdella luotaimella, jotka käyvät haistelemassa, maistelemassa ja katselemassa Aurinkoa paahtavan läheltä. Ainoa tapa saada erittäin tarkkoja tietoja Auringon pinnasta ja sen toiminnasta sekä Auringon lähiavaruudesta on mennä paikan päälle – ja nämä kaksi avaruusalusta tekevät niin.

Nasan Parker Solar Probe ennätettiin laukaisemaan matkaan jo viime vuonna, mutta sen tutkimuskumppani, Euroopan avaruusjärjestön Solar Orbiter on viivytysten jälkeen valmis vasta nyt. Matkaan se lähetetään Nasan kustantamalla rakettikyydillä Floridasta ensi helmikuussa.

Aurinkotuulen jäljillä

Suurin syy siihen, miksi Solar Orbiter on vuosia myöhässä alkuperäisestä aikataulustaan on se, että luotain on paljon amerikkalaiskollegaansa monimutkaisempi ja kunnianhimoisempi.

Vertailu ei ole ihan reilu, mutta Parker Solar Probe on 685-kiloinen, varsin yksinkertaisesti tehty luotain, jonka kyydissä on 50 kilogramman edestä tutkimuslaitteita. Solar Orbiterin massa laukaisun aikaan on puolestaan 1,8 tonnia. Sen mukana on lähes 200 kg tieteellistä hyötykuormaa ja se käyttää varsin edistynyttä tekniikkaa lämpötilansa tasaisena pitämisessä.

Solar Orbiter avaruudessa
Luotaimen lämpösuojakilvessä on reikiä havaintolaitteille ja luukut niiden edessä. Myös Solar Orbiterin aurinkopaneelit on tehty kestävään voimakasta säteilyä, joka radan Aurinkoa lähimmässä osassa on 13 kertaa voimakkaampaa kuin täällä maapallon luona. Lämpötila luotaimen Auringon puoleisissa pinnoissa nousee noin 520°C:n tienoille. Solar Orbiter avaruudessa Kuva: ESA avaruusluotaimet

Kumpikin luotain liittyy Nasan ja Eurooopan avaruusjärjestön pitkään yhteiseen historiaan Auringon tutkimisessa. Niin Ulysses kuin SOHO ovat Nasan ja ESAn yhteisprojekteja, missä yleistäen eurooppalaiset tekivät luotaimen ja amerikkalaiset laukaisivat sen matkaan. Samoin tapahtuu nyt.

Lisäksi Parker-luotaimen ja Solar Orbiterin tutkijat ovat läheisessä yhteistyössä, ja alusten tutkimuslaitteet on valittu toisiaan täydentäviksi.

Kenties kiinnostavin asia, mitä kummallakin luotaimella halutaan selvittää, on Aurinkoa ympäröivä kuuman kaasun alue, eli korona. Se on itse asiassa Auringon kaasukehän ylin osa, mikä näkyy hyvin täydellisten auringonpimennysten aikaan otetuissa kuvissa kirkkaana, usvamaisena kehänä Auringon ympärillä.

Koronan lämpötila on jopa noin miljoona astetta, eli olennaisesti enemmän kuin Auringon pinnalla oleva noin 6000°C. Korkean lämpötilan vuoksi koronassa oleva kaasu on moneen kertaan ionisoitunutta eli sähköisesti varautunutta plasmaa. Sieltä tätä kaasua sinkoutuu monimutkaisten kiihdytysmekanismien puskemana planeettainväliseen avaruuteen ja edelleen osuu muun muassa maapalloon.

Tätä Auringosta poispäin puhaltavaa hiukkasvirtaa kutsutaan aurinkotuuleksi, ja maanpäällisten tuulien tapaan sen voimakkuus vaihtelee. Kun tuuli äityy myrskyksi, tulee myrsky avaruussäässä, ja se puolestaan saa aikaan komeita revontulia – ja pahimmillaan myös häiriöitä radioliikenteessä, sähköverkoissa ja elektronisten laitteiden toiminnassa.

Solar Orbiterin rata piirrettynä
Piirros näyttää miten ESAn Solar Orbiter ja Nasan Parker Solar Probe liikkuvat suhteessa toisiinsa ja sisäplaneettoihin. Tilanne on tällainen 21. joulukuuta 2023. Solar Orbiterin rata piirrettynä Kuva: Nasa avaruus,avaruusluotaimet

Solar Orbiterin avulla halutaan siis tutkia tarkemmin koronaa, sen toimintaa ja sitä, miten aurinkotuuli saa alkunsa. Sen vuoksi luotain uskaltautuu radallaan 0,28 AU:n etäisyydelle Auringosta. Tämä on noin 41,8 miljoonaa kilometriä, hieman alle kolmasosa Maan ja Auringon välisestä matkasta, ja siis selvästi lähempänä kuin Merkuriuksen kiertorata.

Luotain ei ole kuitenkaan koko aikaa näin lähellä, vaan sen rata on soikio. Kipristeltyään radan Aurinkoa läheisemmässä kohdassa kuumuudessa se voi vilvoitella usean kuukauden ajan kauempana; luotain etääntyy Auringosta 1,2 AU:n päähän, eli hieman Maan rataa kauemmaksi. Jäähdyttelyn lisäksi rata on kiinnostava siksi, että samalla luotaimella voidaan nyt tehdä mittauksia aurinkotuulesta lähellä, maapallon etäisyydellä ja hieman kauempanakin.

Tämä puolestaan auttaa ymmärtämään niin sanotun heliosfäärin olemusta ja syntyä paremmin. Heliosfääri on Auringon ympärillä tähtienvälisessä avaruudessa oleva "kupla", jonka ulkolaidalla aurinkotuuli sekoittuu tähtienvälisen avaruuden hiukkasiin.

Jotta luotain voisi tehdä mahdollisimman jänniä havaintoja, viirataan sen radan tasoa vähitellen kallelleen planeettojen ratatasoon verrattuna. Lopulta noin seitsemän vuoden kuluttua laukaisusta radan kaltevuuskulma on 24°. Jos luotain toimii hyvin, jatketaan lentoa parilla vuodella eteenpäin, jolloin kallistuskulma voi olla jopa 33°.

Koska itse katselemme ja tutkimme Aurinkoa maapallolta eli samasta tasosta muiden planeettojen kanssa, on tämä kalteva rata erittäin kiinnostava, mutta hankalasti saavutettavissa. Kun lisäksi "sisäänpäin" aurinkokunnassa lentäminen vaatii yllättäen paljon energiaa, kestää luotaimelta kaksi vuotta saavuttaa raja, jolla se tekee varsinaiset tutkimuksensa.

Matkallaan se tekee kaksi kertaa gravitaatiolinkoustempun, siis lentää läheltä planeettaa, jolloin planeetan vetovoiman avulla voidaan muuttaa lentonopeutta ja säätää radan kaltevuutta. Lopullisella kiertoradalla ollessaan Solar Orbiter kiertää Auringon kerran viidessä kuukaudessa.

Luolaihmiset apuna lämpökilven tekemisessä

Periaatteessa Solar Orbiter on ihan tavallinen, varsin paljon ammoiselta Rosetta-komeettaluotaimelta näyttävä avaruusalus, paitsi että se on tehty toimimaan kuumassa ja sillä on paksu lämpökilpi, jonka suojassa se voi toimia lähellä Aurinkoa ollessaan.

Useasta päällekkäisestä titaanikerroksesta koostuva lämpökilpi peittää aluksen "päälipuolen" kokonaisuudessaan. Kooltaan 3,1 x 2,4 metriä oleva kilpi on hieman irrallaan aluksesta tukivarsien varassa ja siinä on luukkuja, joiden takana ovat kamerat ja muut mittalaitteet. Niiden täytyy katsoa suoraan Aurinkoon. Luukut avataan vain havaintojen teon ajaksi. Sen alapuolella suojana on vielä lasista tai berylliumista tehtyjä kerroksia.

Solar Orbiter piirroksena
Halkileikkauskuva näyttää miten kaukoputket ja kamerat on sijoitettu luotaimen sisälle. Vasemmalle osoittavassa puomissa on mm. magneettikenttämittareita ja piiska-antennit mittaavat radioaaltoja. Iso lautasantenni, jota käytetään yhteydenpitoon maa-aseman kanssa, käännetään lähellä Aurinkoa piiloon, ettei se kuumentuisi liikaa. Kartio aluksen vasemmassa kyljessä on liitososa, joka kiinnitti luotaimen kantorakettiin laukaisun aikaan. Solar Orbiter piirroksena Kuva: ESA avaruusluotaimet

Aivan päällimmäisenä lämpökilvessä on erityinen musta pinnoitus, jonka tekemisessä on saatu apua yllättävältä taholta: esihistoriallisilta luolaihmisiltä. Pintamateriaalin tekemisestä vastannut irlantilainen yhtiö Enbio keksi, että luolamaalauksissa käytetty poltetuista luista tehty hiili toimii erinomaisesti. Olennainen ainesosa on kalsiumfosfaatti, jota tuotettiin luita hiillostamalla lämpökilvessä käytettyä Solar Black -pinnoitetta varten.
luotain testihallissa
Solar Orbiterin aurinkopaneelien avautumista testataan. Jotta paneelit eivät kuumenisi liikaa, osa niiden pinnasta on peilipintaa. Lisäksi niitä voi myös kääntää siten, että paneelit ovat kriittisimpien hetkien aikaan sivusuunta kohti Aurinkoa. luotain testihallissa Kuva: ESA avaruusluotaimet

Pinnoituksen tehtävänä on imeä itseensä auringonvalon energiaa ja vapauttaa se uudelleen avaruuteen infrapunasäteilynä. Suurin ongelma tällaisen materiaalin tekemisessä on se, että monet hyvät aineet muuttuvat ominaisuuksiltaan pitkän avaruuslennon aikana tai kaasuuntuvat vähitellen avaruuden tyhjyydessä. Nyt Auringon ultraviolettisäteilyn voimakkuus on vielä niin suuri, että tarkoitukseen tarvittiin todella tujakkaa ainetta. Luuhiilipohjainen aine on sellaista.

Lisäbonuksena pinnoitteella on se, että se on sähköisesti sopivaa. Aurinkotuulessa olevat varatut hiukkaset keräävät helposti luotaimen pintaan siihen staattista sähköä, mutta pinnoite estää tämän nyt. Alun perin ajateltu hiilikuitukangas ei olisi toiminut tässä mielessä lainkaan.

Auringon salat selville

Lämpökilven takana on viisi Aurinkoa tarkkailevaa tutkimuslaitetta, jotka kuvaavat eri menetelmin Auringon koko näkyvää pintaa ja yksityiskohtia sen pinnalla, sekä tarkkailevat Aurinkoa ympäröivää koronaa. Tätä tehdään näkyvän valon lisäksi ultraviolettivalon alueella, ja lisäksi mukana on röntgenteleskooppi.

Ollessaan lähimpänä Aurinkoa luotain liikkuu usean päivän ajan jotakuinkin sellaisella nopeudella, että se pysyttelee samassa tahdissa Auringon pyörimisen kanssa. Silloin kamerat voivat tutkia tarkasti jotain haluttua kohtaa Auringon pinnalla suurella tarkkuudella ja pitkäjaksoisesti. Toivottavasti näin saadaan seurattua aurinkopurkausten syntyä ja prosesseja pinnalla sekä koronassa ennen ja jälkeen purkausten, sekä luonnollisesti saada purkauksista hyviä havaintoja.

luotain avaruudessa
Aurinkofyysikko Eugene Parkerin mukaan nimetty Nasan aurinkoluotain on euroluotaimeen verrattuna pienempi ja suoraviivaisempi. Se tulee lentämään myös hieman eurooppalaista kollegaansa lähemmäksi Aurinkoa luotain avaruudessa Kuva: NASA avaruusluotaimet

Kun luotaimen rata aikanaan on kovasti kallellaan planeettojen ratatason suhteen, saadaan myös ensimmäisiä kuvia Auringon napaseuduista. Ulysses-luotaimessa aikanaan ei ollut mukana lainkaan kameraa.

Suoraan Aurinkoa tutkivien laitteiden lisäksi osa instrumenteista luotaavat avaruutta aluksen ympärillä. Näitä laitteita on neljä, ja ne analysoivat aurinkotuulta, havainnoivat hiukkasia, mittaa magneettikenttää ja rekisteröi radioaaltoja.

Tutkijat haluavat saada luotaimen avulla mahdollisimman paljon yksityiskohtaista tietoa Auringon pinnalla tapahtuvista prosesseista ja ennen kaikkea ilmiöistä, jotka vaikuttavat koronaan, aurinkotuuleen ja heliosfääriin.

Raketti laukaisualustalla
jpg Nasa on ESAn yhteistyökumppani Solar Orbiter -lennossa. Muutama tutkimuslaite on amerikkalaista tekoa, mutta olennaisin osa osallistumista hankkeeseen on sen laukaiseminen avaruuteen Nasan kustantamalla raketilla. Tehtävään käytetään Atlas V -kantorakettia, joka lähetetään matkaan Cape Canaveralista, Floridasta, ensi helmikuussa. Tässä kuvassa Nasan Osiris-REX -luotain lähtee matkaan samanlaisella raketilla. Raketti laukaisualustalla Kuva: Copyright 2016 United Launch Alliance, LLC. raketit

Näillä on suoria vaikutuksia myös maapalloon, ja niiden tutkimiseksi ESAssa on tekeillä toinen hanke: suomalaisen Juha-Pekka Luntaman luotsaama luotain, joka sijoitettaisiin niin sanottuun L5-pisteeseen tarkkailemaan Aurinkoa. Sen päätehtävänä olisi paitsi tutkia Aurinkoa ja aurinkotuulta täällä maapallon etäisyydellä, niin myös ennen kaikkea toimia operationaalisena avaruussäävalvojana. Sen avulla voi ennustaa tarkasti avaruusmyrskyjen saapumisen maapallolle, ja koska todella suuria, todennäköisesti nyky-yhteiskunnalle vaurioita aiheuttavia myrskyjä ei ole ollut yli sataan vuoteen, olisi tällaisenkin aurinkotutkimuslaitteen saaminen avaruuteen tärkeää. Ja todettakoon, että juuri nyt tämä luotain on vielä pelkkä suunnitelma, joka ehdotetaan joulukuussa pidettävässä ESA-maiden ministerikokouksessa toteutettavaksi.

Lue myös - yle.fi:stä poimittua

Tiede

Uusimmat sisällöt - Tiede