Полюсите на Слънцето може да съдържат отговори на дългогодишни загадки, свързани с магнитните цикли, слънчевия вятър и космическото време.

Полярните региони на Слънцето остават една от най-слабо изследваните области в соларната наука.

Въпреки че сателити и наземни обсерватории са заснели забележителни детайли от повърхността, атмосферата и магнитното поле на Слънцето, почти всички тези наблюдения идват от еклиптичната равнина. Тясната орбитална пътека, следвана от Земята и повечето други планети.

Тази ограничена перспектива означава, че учените разполагат само с частични познания за това какво се случва в близост до слънчевите полюси.

И все пак тези региони са от решаващо значение.

Техните магнитни полета и динамична активност са в основата на слънчевия магнитен цикъл и осигуряват както маса, така и енергия за бързия слънчев вятър.

В крайна сметка тези процеси оформят поведението на Слънцето и влияят на космическото време, което може да достигне до Земята.

Защо полюсите са важни

На пръв поглед полюсите може да изглеждат спокойни в сравнение с по-активните средни ширини на Слънцето (около ±35°). Там слънчевите петна, слънчевите изригвания и изхвърлянията на коронална маса (CMEs) са често срещани.

Изследванията обаче показват, че полярните магнитни полета допринасят пряко за глобалното слънчево динамо.

И може да служат като основа за следващия слънчев цикъл, като помагат за установяването на диполното магнитно поле на Слънцето.

Наблюденията от мисията Ulysses разкриха още, че бързият слънчев вятър произхожда главно от обширни коронални дупки в полярните региони.

Поради тази причина получаването на по-ясна представа за полюсите на Слънцето е от съществено значение за решаването на 3 от най-фундаменталните въпроси в слънчевата физика:

1) Как работи слънчевото динамо и как задвижва слънчевия магнитен цикъл?

Слънчевият магнитен цикъл се отнася до периодичната промяна в броя на слънчевите петна по повърхността на Слънцето. Обикновено в рамките на приблизително 11 години.

По време на всеки цикъл магнитните полюси на Слънцето се обръщат. А магнитните полярности на Северния и Южния полюс се разменят.

Глобалните магнитни полета на Слънцето се генерират чрез динамо процес.

Ключови за този процес са:
– диференциалното въртене на Слънцето, което създава активните региони;
– меридионалната циркулация, която транспортира магнитния поток към полюсите.

Въпреки това, десетилетия на хелиосеизмични изследвания са довели до противоречиви резултати относно моделите на потока дълбоко в конвективната зона.

Някои проучвания дори предполагат наличието на потоци към полюсите в основата на конвективната зона. Това оспорва класическите динамо модели.

Наблюденията на магнитните полета и плазмените движения на високи географски ширини биха могли да предоставят липсващите доказателства за усъвършенстване или преосмисляне на тези модели.

2) Какво задвижва бързия слънчев вятър?

Бързият слънчев вятър произхожда предимно от полярните коронални дупки.

Прониква в по-голямата част от хелиосферния обем, доминирайки физическата среда на междупланетното пространство.

Въпреки това, важни детайли относно произхода на този вятър остават неразрешени.

Дали вятърът произхожда от плътни струи в короналните дупки или от по-малко плътните региони между тях?

Дали процеси, задвижвани от вълни, магнитно пресъединяване или комбинация от двете са отговорни за ускоряването на плазмата?

За разрешаването на този дебат са необходими директни полярни изображения и измервания на място (in-situ).

3) Как се разпространяват събитията от космическото време в Слънчевата система?

Хелиосферното космическо време се отнася до смущенията в хелиосферната среда, причинени от слънчевия вятър и слънчевите еруптивни дейности.

Екстремни събития, като големи слънчеви изригвания и изхвърляния на коронална маса, могат значително да предизвикат смущения в космическата среда.

Например, силни геомагнитни и йоносферни бури. Или зрелищни полярни сияния, представляващи сериозна заплаха за безопасността на високите ни технологии.

За да прогнозират точно тези събития, учените трябва да проследят как магнитните структури и плазмените потоци се развиват в глобален мащаб. А не само от ограничената гледна точка на еклиптиката.

Наблюденията от позиция извън еклиптиката биха осигурили общ поглед върху разпространението на изхвърлянията на коронална маса в еклиптичната равнина.

Предишни усилия

Учените отдавна са осъзнали важността на наблюденията на слънчевите полюси.

Мисията Ulysses, изстреляна през 1990 г., беше първият космически апарат, който напусна еклиптичната равнина и взе проби от слънчевия вятър над полюсите.

Нейните инструменти за измерване на място потвърдиха ключови свойства на бързия слънчев вятър. Но апаратът не разполагаше с възможности за заснемане.

В по-ново време Solar Orbiter на ЕКА постепенно се отдалечава от еклиптичната равнина и се очаква да достигне географски ширини от около 34° след няколко години.

През последните десетилетия бяха предложени редица амбициозни концепции за мисии. Включително Solar Polar Imager (SPI); POLAR Investigation of the Sun (POLARIS); Solar Polar ORbit Telescope (SPORT); мисията Solaris и High Inclination Solar Mission (HISM).

Някои от тях предвиждаха използването на усъвършенствани двигателни системи. Като слънчеви платна, за достигане на високи инклинации.

Други разчитаха на гравитационни асистенции за постепенно накланяне на орбитите си.

Всяка от тези мисии трябваше да носи както инструменти за дистанционно наблюдение, така и такива за измервания на място, за да заснеме полюсите на Слънцето. И да измери ключови физически параметри над тях.

Мисията SPO

Слънчевата полярно-орбитална обсерватория (SPO) е проектирана специално, за да преодолее ограниченията на минали и настоящи мисии.

С планирано изстрелване през януари 2029 г., SPO ще използва гравитационна асистенция от Юпитер (JGA), за да изкриви траекторията си извън еклиптичната равнина.

След няколко прелитания край Земята и внимателно планирана среща с Юпитер, космическият апарат ще се установи в 1,5-годишна орбита с перихелий от около 1 AU и инклинация до 75°.

В разширената си мисия SPO може да достигне до 80°, предлагайки най-директния изглед към полюсите, постиган някога.

15-годишният живот на мисията (включително 8-годишен период на разширена мисия) ще ѝ позволи да обхване както слънчевия минимум, така и максимума.

Включително решаващия период около 2035 г., когато ще настъпи следващият слънчев максимум. И очакваното обръщане на полярното магнитно поле.

През целия си живот SPO многократно ще преминава над двата полюса. Продължителните прозорци за наблюдение на високи географски ширини ще траят повече от 1000 дни.

Мисията SPO цели да постигне пробив по трите научни въпроса, споменати по-горе.

За да изпълни амбициозните си цели, SPO ще носи набор от няколко инструмента за дистанционно наблюдение и измервания на място. Заедно те ще осигурят цялостен поглед върху полюсите на Слънцето.

Инструментите за дистанционно наблюдение включват магнитен и хелиосеизмичен томограф (MHI) за измерване на магнитни полета и плазмени потоци на повърхността; телескоп за екстремна ултравиолетова светлина (EUT) и рентгенов телескоп (XIT) за заснемане на динамични събития в горната атмосфера на Слънцето; коронограф за видима светлина (VISCOR) и широкоъгълен коронограф (VLACOR) за проследяване на слънчевата корона и потоците на слънчевия вятър до 45 слънчеви радиуса (при 1 AU).

Пакетът за измервания на място включва магнитометър и детектори на частици за директно вземане на проби от слънчевия вятър и междупланетното магнитно поле.

Чрез комбинирането на тези наблюдения SPO не само ще заснеме изображения на полюсите за първи път, но и ще ги свърже с потоците от плазма и магнитна енергия, които оформят хелиосферата.

SPO няма да работи изолирано.

Очаква се да действа в сътрудничество с нарастващ флот от слънчеви мисии.

Те включват мисията STEREO, сателита Hinode; обсерваторията за слънчева динамика (SDO); спектрографа за изобразяване на интерфейсния регион (IRIS); усъвършенстваната космическа слънчева обсерватория (ASO-S); Solar Orbiter; мисията Aditya-L1; мисията PUNCH; както и предстоящите мисии L5 (напр. мисията Vigil на ESA и мисията LAVSO на Китай).

Заедно тези активи ще формират безпрецедентна мрежа за наблюдение.

Полярната гледна точка на SPO ще осигури липсващото парче, позволявайки за първи път в човешката история почти глобално 4π покритие на Слънцето.

Поглед напред

Слънцето остава най-близката ни звезда, но в много отношения все още е загадка.

Със SPO учените са напът да разкрият някои от най-дълбоките му тайни.

Слънчевите полярни региони, някога скрити от погледа, най-накрая ще попаднат във фокус, прекроявайки нашето разбиране за звездата, която поддържа живота на Земята.

Последиците от SPO се простират далеч отвъд академичното любопитство.

По-дълбокото разбиране на слънчевото динамо може да подобри прогнозите за слънчевия цикъл, което от своя страна влияе на прогнозите за космическото време.

Прозренията за бързия слънчев вятър ще подобрят способността ни да моделираме хелиосферната среда. Това е от решаващо значение за проектирането на космически апарати и безопасността на астронавтите.

Най-важното е, че по-доброто наблюдение на събитията в космическото време може да помогне за защитата на съвременната технологична инфраструктура. От навигационни и комуникационни сателити до авиационни и наземни енергийни системи, пише Science Daily.