Najlepsze zdjęcie powierzchni Słońca - kulisy jego powstania i związek z podkręcaniem PC

Sonda Parker Solar Probe bada Słońce na miejscu, czyli głęboko wewnątrz korony słonecznej. Znajdując się przy tym dużo bliżej powierzchni Słońca niż jakikolwiek inny pojazd wysłany z Ziemi. Obecny rekord zbliżenia to 18,6 miliona kilometrów. Osiągnięty pod koniec stycznia 2020 roku. Przy okazji sonda rozpędza się do rekordowych prędkości - ostatnio było to 400 tysięcy kilometrów na godzinę. Zebrane dane z czwartego już zbliżenia do Słońca przesyłane będą przez cały miesiąc na Ziemię.

Podobnie zadania postawiono przez sondą Solar Orbiter, o której wspominałem w astro-zapowiedziach na 2020 rok, a której start wedle najnowszych informacji zapowiedziano na 9 lutego 2020.

Zorza polarna - zjawisko, którego nie byłoby bez aktywności Słońca

Jednak Słońce badać można skutecznie nie tylko metodą Ikara, oczywiście bez zgubnych tego efektów. Można to robić dużo bezpieczniej nie opuszczając Ziemi. Zebrane dane będą miały inny charakter niż te, które gromadzi Parker Solar Probe, ale nie mniej istotne dla naszego bezpieczeństwa i wiedzy na temat zachowania się Słońca oraz związanej z nim kosmicznej pogody w okolicy Ziemi. Określa ją poziom promieniowania kosmicznego, a także stopień aktywności słonecznej, która objawia między innymi wyrzutami materii i rozbłyskami.

Obserwowanie Słońca z Ziemi - kiedyś i dziś

Jak obserwować Słońce z Ziemi? To można zrobić nawet amatorskim sumptem. Wystarczy mieć prosty teleskop, filtr, który zablokuje światło Słoneczne, taki jak przy obserwacji zaćmień, a potem analizować obraz rzutowany przez teleskop na ekranie (nigdy nie patrzcie się bezpośrednio w Słońce, szczególnie przez instrumenty optyczne). Tym co możemy zaobserwować to pojawiające się i przemieszczające w miarę rotacji Słońca plamy słoneczne. Plamy to obszary, wyróżniające się znacznym kontrastem temperatury na minus względem otoczenia. Widać je jako ciemne plamy na jasnym obrazie tarczy słonecznej.

Plamy powstają w różnych miejscach i postronnemu obserwatorowi mogą wydać się chaotycznym zjawiskiem. W rzeczywistości miejsce i tempo ich postawania ma związek z cyklem aktywności słonecznej, a gdy naniesiemy te dane na wykres w czasie dostaniemy tak zwany diagram motylkowy. Jego wygląd przypomina rozłożone skrzydła motyla. Kiedyś astronomowie mogli liczyć przede wszystkim na takie dane.

Plamy słoneczne, po prawej zdjęcie takiej plamy w dużym powiększeniu wykonane z pokładu MSK

Innym źródłem informacji były obserwacje korony słonecznej. Możliwe jednak tylko w trakcie zaćmień Słońca, zjawisk nie tyle rzadkich, co krótkotrwałych i występujących zwykle w mało korzystnych dla obserwatorów lokalizacjach.

W połowie XX wieku zrozumieliśmy, że zewnętrzne warstwy Słońca sięgają bardzo daleką, zanurzona w nich jest nawet orbita Ziemi, a wiatr słoneczny dociera do granic Układu Słonecznego. Dziś astronomowie w swojej pracy zawodowej są w stanie badać nie tylko plamy słoneczne, ale wręcz samą powierzchnię Słońca. A dzięki koronografom wywołują zaćmienia Słońca na życzenie.

Wiatr słoneczny oddziałuje nie tylko na Ziemskie pole magnetyczne, ale też odleglejszych planet, tworzy bańkę, w której zaurzony jest Układu Słoneczny

W prawie każdym optycznym obserwatorium astronomicznym na świecie znajduje się teleskop Słoneczny, który pracuje za dnia, a nie nocą. Zwykle to niewielkie zautomatyzowane maszyny, wyposażone w kilkudziesięciocentymetrowej średnicy zwierciadło. Wymagają minimalnej ingerencji ze strony obsługi.

Większy teleskop to lepsze obserwacje, ale ma to swoją cenę

Niewielki teleskop ma niewielką zdolność rozdzielczą i umiejętność gromadzenia światła od odległych gwiazd. Dlatego od lat astronomowie obserwatorzy dążyli do tworzenia jak największych zwierciadeł, które pozwolą obserwować coraz to słabsze obiekty. Dziś zastosowanie technologii półprzewodnikowych i bardzo czułych sensorów cyfrowych pozwoliło nieco zwolnić ten wyścig, ale on wcale się nie zatrzymał. Czekamy przecież na uruchomienie gigantycznych teleskopów optycznych co ma nastąpić w nadchodzącej dekadzie.

Widok zwierciadła głównego w teleskopie słonecznym - w porównaniu do teleskopów obserwujących gwiazdy montaż teleskopu to wyjątkowo skomplikowana konstrukcja

Te teleskopy to jednak urządzenia, które przeznaczone są i będą do badań odległych i bardzo słabo świecących czy odbijających światło obiektów. Gdyby skierować je w kierunku jaśniejszych gwiazd, nawet takich, których nie da rady zobaczyć gołym okiem, szybko prześwietlą one sensor. A Słońce to przecież dla kosmicznego fotografa wręcz nadmiar szczęścia i żaru. Na powierzchnię jednego metra kwadratowego prostopadłą do kierunku promieni słonecznych pada w bezchmurny dzień około 1,3 kW energii. Słońce jest tak jasne, że gdyby nawet wytapetować całą sferę niebieską Księżycami w pełni nie osiągniemy takiej jasności otoczenia jak za dnia.

Teleskop słoneczny, palący problem niczym przetaktowany procesor

Czy więc da się w ogóle pogodzić dążenie do budowy dużych zwierciadeł i obserwacje Słońca? Tak, a najlepszym tego dowodem jest Inouye Solar Telescope umieszczony na wyspie Maui na Hawajach. Tam na wysokości ponad 3000 metrów znajduje się Obserwatorium Haleakalā. Teleskop ma zwierciadło o średnicy 4,24 m co czyni go największym teleskopem słonecznym na świecie. Nawet jako teleskop do obserwacji gwiazd, byłby to jeden z większych instrumentów. Drugi co do wielkości teleskop słoneczny na świecie ma tylko 1,6 metra średnicy. W istocie podobny rozmiar ma kilka instrumentów.

Największe teleskopy słoneczne - porównanie

Na zwierciadło główne teleskopu Inouye w słoneczny dzień pada nawet nawet 12 kW energii w postaci promieniowania. Wyobraźcie sobie skupienie jej w jednym punkcie - zamiast obserwacji mielibyśmy duże ognisko. A nawet nieskupiona energia słoneczna rozgrzewa kopułę i aparaturę wewnątrz. Równie ciepło jest wewnątrz obudowy mocno podkręconego komputera. I choć to inna skala, a źródło ciepła jest wewnątrz, a nie na zewnątrz, to problemy z tym związane podobne.

Chłodzenie teleskopu słonecznego - analogia do komputerowego chłodzenia

Podkręcający komputery muszą zadbać o odpowiednią wentylację obudowy, odprowadzenie ciepła z poszczególnych komponentów, ze szczególnym uwzględnieniem tych najbardziej się grzejących. Inaczej komputer może ulec uszkodzeniu lub działać nieprawidłowo. Podobne wyzwania musza pokonać budowniczy teleskopu słonecznego, by zapewnić optymalną temperaturę obserwacji. Taką by zebrane dane miały odpowiednią wartość naukową.

W przypadku teleskopu słonecznego kluczowe są - odpowiednia konstrukcja kopuły, w której umieszczono teleskop, skuteczny system chłodniczy (dla całej konstrukcji, a nie tylko sensora jak to ma miejsce przy obserwacjach gwiazd nocą), blokada niepotrzebnego światła i izolacja instrumentów badawczych.

Strategia konstruowania kopuł obserwatoriów od lat jest podobna. Kopuły mają dużo żaluzji, które izolują przed wiatrem, a jednocześnie zapewniają swobodny przepływ powietrza tak by zminimalizować gradient temperatury pomiędzy zewnętrzem i wnętrzem kopuły. W przypadku teleskopu Inouye kopułę pokryto dodatkowo aktywnie chłodzonymi płytami.

Kopuła teleskopu, widoczny otwór przez który wpada światło słoneczne 

Chłodzenie kopuły, krytycznych elementów konstrukcji teleskopu, przypomina chłodzenie wodne komputera, ale w dużo większej skali. Zastosowano tu 11 kilometrów rurek transportujących czynnik chłodniczy (tzw. dynalene, o dużej odporności na zmiany temperatury otoczenia). Do odprowadzania ciepła z czynnika chłodniczego wykorzystuje się też lód, który wytwarzany jest nocą na terenie obserwatorium.

Główne zwierciadło może być szybko przesłonięte żaluzjową osłona. Na zdjęciach widoczny montaż teleskopu w pozycji pionowej i przy nachyleniu 45 stopni

Wokół głównego zwierciadła znajduje się chłodzony pierścień, który zapewnia swobodny i spokojny przepływ chłodnego powietrza przed powierzchnią rejestrującą światło. Z kolei wtórne zwierciadło jest dodatkowo przesłonięte przysłoną o kształcie torusa, która również jest chłodzona cieczą. Przepuszcza ona tylko wąską wiązkę światła ku kolejnym zwierciadłom, eliminując 95% ciepła. Kolejne zwierciadła kierują wiązkę światła do różnych instrumentów naukowych. Te umieszczone są za dodatkowymi kurtynami powietrznymi, co pozwala utrzymać je w odpowiedniej temperaturze.

W przypadku ewentualnej awarii, jakiegokolwiek z elementów chłodzących, natychmiast zamykana jest kopuła, a teleskop przestaje celować bezpośrednio w Słońce. Tego bowiem nie da się wyłączyć czy zmniejszyć jego mocy świecenia tak jak to ma miejsce w przypadku komputerowego throttlingu. Ten zmniejsza taktowanie procesora, a zarazem jego grzanie się.

Teleskop słoneczny Inouye jest wyjątkowy także pod innym względem

Zastosowano tutaj konstrukcję pozaosiową, czyli zwierciadło główne nachylone względem kierunku padania światła słonecznego, a zwierciadło wtórne znajduje się z boku, a nie na wprost jak to ma miejsce w większości zwierciadlanych konstrukcji. Po co tak utrudniać sobie życie? By zmaksymalizować wykorzystanie powierzchni odbijającej głównego zwierciadła, w tym przypadku bardzo cennej.

Diagram pokazujący drogę światła od Słońca do instrumentów w laboratorium. Widoczna dobrze pozaosiowa konstrukcja

Walka z grawitacją i ziemską atmosferą

Chciałbym napisać, że główne zwierciadło teleskopu to jego serce, ale w praktyce to tylko jeden z ważnych komponentów, największy po kopule i montażu teleskopu. Wykonano je z 3-calowej grubości szkła ceramicznego w zakładach Schott AG w Niemczech. Szkło nazywa się Zerodur i jest stosowane od lat w dużych teleskopach, między innymi w słynnych bliźniakach Keck I i II. Łączy ono wysoką odporność na czynniki termiczne z łatwością obróbki i adaptacji do celów naukowych. Zwierciadło wyszlifowane jest z dokładnością 2 nanometrów. Dla porównania, helisa DNA ma taką własnie grubość.

Ciekawostka - by pokryć ponad 4-metrowej średnicy zwierciadło odbijającą światło warstwą, wystarczyły dwie łyżeczki aluminium

Mimo odporności zwierciadła na czynniki zewnętrzne, siły pojawiające się przy zmianie położenia teleskopu mogą je odkształcać (wyginać). Tym zmianom przeciwdziałają siłowniki, które korygują kształt zwierciadła zależnie od jego położenia. To tak zwana optyka aktywna.

To nie wszystko. Światło, które dociera do obserwatorów przebywa swoją drogę nie tylko przez względnie pustą przestrzeń kosmiczną, ale też bardzo turbulentną atmosferę. Wprowadza ona zakłócenia, które degradują ostrość obrazu. Temu czoła stawia inne zwierciadło pod koniec drogi wiązki światła do instrumentów optycznych. Niewielkie, ale umieszczone na 1600 siłownikach, które mogą je deformować 2000 razy na sekundę.

Teleskop może praktycznie się połozyć, czyli obserwować Słońce tuż po wschodzie i tuż przez jego zachodem

I tak jak w aparacie cyfrowym stabilizacja obrazu przeciwdziała drganiom aparatu poruszając sensorem, tak w teleskopie zmienny kształt jednego z elementów optycznych kompensuje drgania atmosfery. To tak zwana optyka adaptatywna, stosowana od lat z powodzeniem w największych teleskopach. Zapewnia ostrość i rozdzielczość obrazu porównywalną z obserwatoriami pozaatmosferycznymi.

Meritum tematu - jak obserwacje pomogą w poprawie prognoz pogody kosmicznej

Teleskop Inouye ma instrumenty do obserwacji spektroskopowych i polarymetrycznych, a także koronograf do obserwacji całego Słońca i „zwykłą” około 16 Mpix kamerę do obserwacji wizualnych i w podczerwieni. Maksymalna rozdzielczość zdjęć sięga około 30 km.

Porównanie rozmiaru granulacji na zdjęciu z rozmiarem stanu Texas, który jest ponad 2 razy większy od Polski, pojedyncze piksele mają rozmiar dużego miasta

Precyzyjne obserwacje powierzchni Słońca, a także jego korony, pozwolą dokładniej monitorować zmiany słonecznego pola magnetycznego. Stworzone zostaną modele, które pomogą w przyszłości lepiej przewidywać jego zmiany i wpływ na otoczenie Słońca. W efekcie kosmiczni meteorolodzy dostaną w ręce skuteczniejsze narzędzia do przewidywania pogody kosmicznej.

Przewiduje się, że precyzja prognoz pogody kosmicznej, może w przyszłości zwiększyć się kilkudziesięciokrotnie. Zamiast kilkudziesięciu minut (obecnie) będziemy mieli nawet dwa dni, by przygotować się na ewentualne kłopoty i zapewnić bezpieczeństwo naziemnej elektroniki, energetycznych linii przesyłowych, satelitów krążących wokół Ziemi i systemów GPS.

Najlepsze zdjęcie powierzchni Słońca jakie kiedykolwiek wykonano

Jeśli ktoś jeszcze wątpi, że astronomia obserwacyjna nie ma sensu, to chyba te wątpliwości zostały rozwiane. A na potwierdzenie potęgi teleskopu najlepsze jak dotąd zdjęcia słonecznej fotosfery, którą traktujemy jako umowną powierzchnię Słońca. Widać na niej granulację, którą tworzą komórki konwektywne. Konwekcja to sposób transportowania promieniowania z wnętrza Słońca na jego powierzchnię.

Kadr po lewej to fragment powierzchni Słońca o rozmiarze 36500 x 36500 km, kadr po prawej to powiększenie o długości boku 8200 km

Komórki konwektywne są środku gorące i jasne (bo tędy wypływa ogrzana materia), a na brzegach ciemne i chłodne (bo tędy spływa schłodzona materia do wnętrza Słońca). Można powiedzieć, że Słońce ma naturalny bardzo efektywny system chłodzenia swojego wnętrza, który działa od prawie 5 miliardów lat. Gdy gwiezdne „mechanizmy chłodzenia” zawodzą mamy katastrofę, która w przypadku masywnych gwiazd kończy się wybuchem supernowej. Ale to inna historia, naszemu Słońcu nic takiego nie grozi.

To dopiero początek - czekają nas 44 lata badań

To co mamy okazję teraz zobaczyć, to dopiero przebłysk prawdziwych rewolucji w wiedzy o Słońcu, które nas czekają dzięki teleskopowi Inouye. W nadchodzących miesiącach aparatura będzie testowana i przygotowywana do regularnych obserwacji.

Te będą prowadzone od rana do wieczora, gdy tylko będzie to możliwe. Czas pracy teleskopu przewiduje się na co najmniej 44 lata czyli cztery pełne cykle słoneczne (11 lat to czas, w którym aktywność Słońca zmienia się od minimalnej do maksymalnej i z powrotem). Każdego dnia gromadzone będzie około 9 terabajtów danych.

W przyszłości teleskop Inouye może być zdetronizowany jako największy słoneczny teleskop, a chcą tego dokonać (to chyba nie jest niespodzianka) Chiny planujące sprzęt z 8 metrowej średnicy zwierciadłem. Budowę podobnego teleskopu jak Inouye w najbliższej dekadzie planuje również ESO.

Jak wykonać zdjęcie powierzchni Słońca w domowych warunkach

A teraz na rozluźnienie poradnik jak wykonać z pomocą smartfona zdjęcie Słońca, która wygląda prawie tak samo jak to z teleskopu słonecznego. I nie obawiajcie się, nie będziemy celować w Słońce.

• potrzebny będzie dowolny smartfon i w miarę dobre oświetlenie, może być kontrastowe,
• potrzebna będzie uprażona kukurydza ciasno poukładana obok siebie (ciekawostka: światło skupione przez teleskop słoneczny Inouye uprażyłoby ziarna kukurydzy w 20 sekund) lub kasza gryczana,
• fotografujemy prażoną kukurydzę, im bliżej umieścimy smartfon tym „lepsze” będzie nasze zdjęcie Słońca,
• w dowolnej aplikacji do edycji zdjęć nadajemy fotografii pomarańczowy odcień, zwiększamy kontrast, możemy też zaaplikować takie efekty jak „struktura”,
• gotowe,

• rolę granulacji na powierzchni Słońca naśladować dość dobrze będzie też kawałek styropianu (poniżej).

Źródło: inf. własna, DKIST, NSO, fot: NSO/AURA/NSF 

Więcej na tematy astronomiczne:

• Nobel z Fizyki 2019 - nagrodzeni astronomowie. Słusznie, ale są też zawiedzeni naukowcy
• Wyścig Saturn kontra Jowisz na liczbę księżyców
• NASA żegna się z teleskopem Spitzera po jego 16-letniej misji. Co dalej z poszukiwaniem egzoplanet?