Dotknout se hvězdy: Jak vesmírné sondy mění naše chápání Slunce?
Přestože Slunce představuje naši nejbližší hvězdu, stále nás takřka denně překvapuje. Zkoumají ho přitom jak velké pozemní sluneční dalekohledy, tak kosmické sondy prolétající doslova jeho atmosférou.
Úplné sluneční zatmění neznamená jen výjimečnou podívanou pro běžné smrtelníky. Pro astronomy jde o skvělou příležitost studovat sluneční korónu, která vynikne, když Měsíc naši denní hvězdu zastíní. Zmíněná oblast zůstává jednou z nejzáhadnějších částí Slunce: Badatelé se původně domnívali, že koróna představuje charakteristický rys Měsíce – sluneční světlo odrážející se od lunární atmosféry. Jenže zemský průvodce atmosféru nemá. Teprve roku 1806 španělský astronom José Joaquín de Ferrer rozpoznal, že se jedná o součást Slunce, a pojmenoval ji corona.
Rozcuchaná koróna
Nyní víme, že koróna tvoří horkou vnější část atmosféry naší hvězdy. Vzniká tam tajemný sluneční vítr a příležitostně se uvolňují shluky hmoty a energie, nazývané výrony koronální hmoty alias CME. Nevíme ovšem, jak nebo proč k tomu dochází. V době slunečního zatmění pozorují astronomové korónu pomocí dalekohledů v naději, že danému jevu lépe porozumějí. Pomáhají jim v tom také dvě nové sondy, které k naší stálici nedávno dorazily a shromažďují data v jejím blízkém okolí – a dokonce i uvnitř koróny.
Ta plynule přechází do meziplanetárního prostoru a neexistuje žádná její přesně definovaná horní hranice. Za běžných podmínek není pozorovatelná, protože dosahuje pouze miliontiny jasu fotosféry. Můžeme ji tudíž sledovat jen během úplného zatmění. Teploty v koróně se pohybují v rozmezí 1–5 milionů stupňů a její tvar se mění v závislosti na slunečním cyklu. V minimu má zhruba kruhovou formu, zatímco během maxima ji ovlivňuje chaotické magnetické pole a zdá se být „rozcuchaná“.
Částice rychlejší než zvuk
Sluneční fyzika se zrodila během úplného zatmění 16. srpna 1868. Astronomové právě začali používat hranoly v rámci spektroskopie k rozdělování slunečního světla na jednotlivé barvy, aby mohli studovat chemické složení naší hvězdy. Její spektrum obsahuje tmavé spektrální čáry, podobné čárovému kódu a indikující přítomnost prvků, jako je vodík, sodík či železo. Pierre Janssen a Norman Lockyer nezávisle na sobě zachytili sluneční spektrum během uvedeného zatmění a zjistili, že zahrnuje čáru odpovídající novému prvku – prvnímu objevenému mimo Zemi. Pojmenovali ho helium, podle řeckého boha slunce Helia.
Při dalším úplném zatmění následujícího roku viděli astronomové v Iowě ve slunečním spektru něco jiného: Pojali podezření, že jasně zelená čára v koróně patří novému chemickému prvku, a oznámili tedy objev koronia. Teprve ve 30. letech 20. století Walter Grotrian a Bengt Edlén dokázali, že daná spektrální čára odpovídá 13krát ionizovanému železu, které má tudíž polovinu elektronů oproti typickému atomu. Daný stav je možný, pouze pokud se atomy železa „vaří“ při teplotě kolem milionu stupňů. Povrch Slunce však dosahuje 5 500 °C. Koróna byla tudíž 200krát teplejší než povrch, odkud se vyzařuje teplo a světlo – a od té doby se vědci snaží obrovský teplotní rozdíl vysvětlit. „Tam skutečně začíná moderní sluneční fyzika,“ tvrdí Dan Seaton ze Southwest Research Institute v Boulderu.
Největším výsledkem uvedeného objevu se stal „triviální výpočet“, řečeno slovy astrofyzika Eugena Parkera z University of Chicago. Ten v roce 1958 vyjádřil názor, že pokud má koróna milion stupňů, musí podle zákonů dynamiky tekutin generovat konstantní tok částic, jež se pohybují rychleji než zvuk. Jeho přesvědčení se setkalo s odporem, ale v roce 1962 sonda Mariner potvrdila, že částice slunečního větru skutečně existují. A dnes odborníci získávají detailní informace díky dvěma sondám, z nichž jedna nese právě Parkerovo jméno.
Nebezpečně blízko
Parker Solar Probe se řadí mezi nejodolnější kosmické sondy, jaké kdy vznikly. Její sluneční clona z uhlíkového kompozitu zvládne teplotu až 1 370 °C a byla navržena tak, aby se automat dostal ke Slunci blíž než jakýkoliv předchozí lidský výtvor a studoval vzorky atmosféry, slunečního větru, magnetických polí i záření. NASA průzkumníka vypustila v roce 2018 a o tři roky později Parker Solar Probe jako první sonda v dějinách prolétla sluneční korónou.
Od té doby absolvovala více než 20 přiblížení k naší hvězdě a během své sedmileté mise dokončí 24 jejích obletů, přičemž využívá gravitační pole Venuše k navedení na stále bližší trajektorii. Na konci loňského roku se sonda přiblížila na vzdálenost 6,1 miliónu kilometrů od povrchu Slunce, a podle výpočtů čelila během přiblížení teplotě okolo 980 °C.
Jako druhá sonda slouží vědcům automat ESA s názvem Solar Orbiter, vypuštěný v roce 2020. V současné době zkoumá Slunce z větší vzdálenosti než Parker Solar Probe, ale prolétává dostatečně blízko, aby mohl studovat heliosféru – „bublinu“ nabitých částic, které stálice vyfukuje do všech stran. Jako první observatoř provede Solar Orbiter podrobnou studii jejích nezmapovaných polárních oblastí, které se dají ze Země sledovat jen obtížně, nebo vůbec.
Zmíněné dvě sondy jsou nejnovější ze série asi dvou desítek aparátů pro pozorování Slunce vypuštěných od roku 1961, vedle mnoha slunečních observatoří na Zemi. „Solární fyzika představuje opravdu velmi mladou vědu,“ podotýká Lisa Uptonová ze Space Systems Research Corporation v Boulderu. „Většinu toho, co o Slunci víme, jsme se naučili teprve od úsvitu kosmického věku.“
Průzkum vesmíru vědcům umožňuje prohlédnout si Slunce opravdu zblízka. Parker Solar Probe se k němu dostává na tak těsnou vzdálenost, že se o ni odborníci občas obávají. Zatím však odolala všemu, co jí hvězda vrhla do cesty. K jednomu obzvlášť prudkému výbuchu došlo v březnu 2023, když se sonda ke Slunci přibližovala. Ve vzdálenosti 8,5 milionu kilometrů se její tepelný štít doslova upekl, zatímco citlivé přístroje ukryté za ním snímaly vnější sluneční atmosféru. Poté stálice vyvrhla neobvykle rychlý a silný proud horkého plazmatu, přičemž se automat nacházel v takové poloze, že proletěl přímo skrz něj.
Mnohem, mnohem složitější
Tehdy se Slunce, Země i obě sondy ocitly seřazené ve vhodné poloze pro studium výronu koronální hmoty. Událost pozorovalo více než 40 pozemních observatoří a vytvořily na ni bezprecedentní pohled. „Byli jsme tak blízko Slunci a bylo to tak intenzivní, že jsme vše viděli v datech z akcelerometru, která ukazovala pohyb a vibrace sondy,“ popisuje Jim Kinnison, inženýr mise Parker Solar Probe z Applied Physics Laboratory (APL).
Výron koronální hmoty spustil varování před vlivem kosmického počasí na Zemi, protože zmíněné emise nabitých částic mohou mimo jiné ovlivnit horní atmosféru naší planety a rušit satelity i rádiovou komunikaci. Parker Solar Probe viděla celou událost, od vzniku CME přes jeho emisi z povrchu hvězdy až po šíření v prostoru mezi Sluncem a Zemí. „Mysleli jsme si, že struktuře CME rozumíme. Ale to, co nám Parker Solar Probe ukázala – při úrovni detailů, které získáváme – je mnohem, mnohem složitější, než jsme si mysleli,“ líčí Nour Raouafi z APL. „Dospěli jsme k závěru, že veškeré modely, které pro dané události máme, nemohou vysvětlit všechno, co vidíme.“
Záhada slunečního větru
Vědci se domnívají, že sluneční vítr pochází z koróny, ale nejsou si úplně jistí přesným mechanismem jeho vzniku. Jde o proud nabitých částic ze Slunce zaplavujících celou naši soustavu – konkrétně zejména o elektrony a protony, v menší míře o částice alfa neboli jádra helia. Existují přitom dva typy: Tzv. rychlý sluneční vítr může dosahovat rychlosti kolem 800 km/s, kdežto jeho pomalý protějšek proudí z rovníkových oblastí rychlostí kolem 400 km/s. Zmíněné dva typy obsahují různé prvky a různé počty elektronů, což naznačuje, že se utvářejí různými způsoby. Oba však souvisejí s magnetickými poli.
Když se v jádře Slunce spaluje vodík na helium, proudí energie na povrch a přenáší teplo konvekcí. Jelikož hvězda na rovníku a na pólech rotuje různě rychle, jak magnetická pole stoupají, postupně se zamotávají. Na rozdíl od magnetu s pevnou polaritou jsou v případě Slunce jako zrnka rýže vířící v hrnci s vroucí vodou. „Magnetická pole se kroutí a zabalují do skutečně složitých konfigurací, které nejsou intuitivní,“ přibližuje Uptonová. Pole s opačnou polaritou se mohou navzájem vyrušit. Když dojde k opětovnému přepojení, nové siločáry magnetického pole generují obrovskou sílu, jež vymrští plazma ze Slunce.
Předpokládá se, že zmíněné přechody pomáhají vytvářet pomalý sluneční vítr. Krátce poté však vědci z týmu Parker Solar Probe zjistili, jak může opětovné přepojení vyvolat také rychlý sluneční vítr. Raouafi a spol. ukázali, že se jeho proudění formuje na základně koróny z malých výtrysků plazmatu. V roce 2023 sluneční fyzikové objevili rovněž proudy částic pocházející z „děr“ v koróně, což dává vzniknout rychlému větru. Rozdíly mezi oběma typy lze nalézt v tom, jak jsou magnetická pole uspořádána v koronálních dírách. Slunce každopádně nevytváří svou korónu jediným jednoduchým procesem. Malé dynamické jevy tam pohánějí zjevné rysy ve větším měřítku, jež můžeme snadno pozorovat, ale dobře jim nerozumíme. „Myslím, že zjišťujeme, že spolu všechny jevy souvisejí,“ dodává Craig DeForest ze Southwest Research Institute.
Hledání podstaty Slunce
Slunce představuje urychlovač částic, kouli plazmatu, soběstačný termonukleární reaktor, vichřici hmoty a energie, zdroj všeho života. Fakt, že se k němu můžeme přiblížit, je úžasný. Studium naší mateřské hvězdy a její aktivity spojuje mnoho vědních oborů, ale rovněž se tak dozvídáme víc o jejích sesterských stálicích v celém vesmíru, které leží příliš daleko, než abychom je mohli podrobně prozkoumat. Jak vysvětluje Alex Young z Goddard Space Flight Center, uvedené studie nám dokonce pomohou porozumět planetám kolem cizích hvězd. Vědci přitom doufají, že zkoumání exoplanetárních systémů přispěje k pochopení, jaké bylo Slunce při svém zrodu a jak bude vypadat před zánikem asi za pět miliard let.
Mnohovrstevnatá stálice
Stejně jako Země, i Slunce se skládá z vrstev. Hluboko uvnitř se nachází jádro, kde se vodík spaluje na helium a další těžší prvky. Okolo se rozkládá radiační zóna a poté zóna konvektivní, která generuje magnetická pole. Nejdál od jádra pak leží fotosféra, chromosféra a koróna. Všem vrstvám dominují různé typy fyziky, od dynamiky tekutin a tepelných toků až po magnetická pole a urychlování částic. „Zmíněná složitost studium Slunce jako celku velmi ztěžuje,“ uvádí Charles Kankelborg z Montana State University. Díky záplavě nových dat si však vědci nyní konečně mohou vytvořit úplnější obrázek o tom, jak naše hvězda funguje.
