Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze
Číslo 18 (vyšlo 28. května, ročník 8 (2010)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Hledej

SDO – nejcitlivější vesmírná observatoř pro výzkum Slunce

Petr Kulhánek

Od února 2010 létá nad našimi hlavami nová sluneční observatoř americké NASA s názvem SDO (zkratka z anglického Solar Dynamics Observatory). První pořízené snímky a videa astronomům doslova vyrazily dech. Každému je jasné, že jde o stroj nové generace, který posune sluneční fyziku značně kupředu. Srdcem observatoře je čtveřice stejných dalekohledů o průměru 20 cm s velkým množstvím filtrů. Současně se tak pořizuje obraz ve čtyřech různých vlnových délkách od hranice měkkého rentgenového záření až po vizuální obor. Některé vlnové délky jsou zcela nové, nepozorovaly na nich observatoře SOHOSOHO – SOlar and Heliospheric Observatory, sonda vypuštěná NASA v roce 1995 se zaměřením na pozorování a výzkum slunečního povrchu, atmosféry, koróny a slunečního větru. Základem observatoře je dalekohled EIT o průměru 12 cm. ani TRACETRACE – Transition Region and Coronal Explorer, sonda NASA vypuštěná v roce 1998 a navazující na práci družice SOHO. Poskytuje vynikající snímky plazmatu rozprostřeného podél silokřivek magnetického pole v UV oboru.. Nová observatoř je dvakrát citlivější než STEREOSTEREO – Solar TErrestrial RElations Observatory, mise NASA z roku 2006, jejímž hlavním cílem je pomocí dvou stejných sond pořizovat třírozměrný obraz sluneční koróny. Sondy nesou zobrazovací jednotky pro viditelný i XUV obor a přístroje k výzkumu slunečního větru. a čtyřikrát citlivější než SOHO. Jsou zde i další rozdíly. Observatoř SOHO je schopna pořídit jeden snímek za 12 minut, STEREO za 3 minuty a SDO za pouhých 10 sekund. Observatoř SDO létá na geosynchronní drázeGeosynchronní dráha – dráha, na které je perioda oběhu družice kolem Země (vzhledem ke hvězdám) stejná jako rotační perioda Země. Družice se pro pozorovatele na určitém místě zeměkoule bude vracet na stejné místo na obloze vždy ve stejný čas (odsud pochází název geosynchronní). Její dráha na obloze připomíná tvarem číslici 8. Speciálním případem je geostacionární dráha, která je kruhová a má nulový sklon. Její výška nad povrchem Země je 35 800 km a družice se pozorovateli jeví na obloze jakoby nehybná. se sklonem 28,5° k rovníku, což zajišťuje téměř trvalou viditelnost družice z pozemské stanice White Sands, která data z SDO přijímá nepřetržitě. Odpadá tak nahrávání pořizovaných dat na pomocné médium a na Zemi vidíme Slunce doslova v přímém přenosu. Tok dat je obrovský – 130 megabitů za každou sekundu, což činí 1,4 terabajtů dat denně. Rozlišení jednotlivých snímků je desetkrát vyšší než u HD televizeHD televize – High Definition TV neboli standard HDTV s rozlišením 1920×1080 pixelů..

Logo

Logo observatoře.

NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších.

Slunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.

SDO

Observatoř SDO. V horní části je patrná čtveřice dalekohledů. Zdroj: NASA.

Parametry observatoře a přístroje

Základním dalekohledem observatoře je přístroj AIA (Atmospheric Imaging Assembly). Jde o čtveřici dalekohledů, z nichž každý má průměr 20 cm. Optický systém je Ritchey-ChrétienRitchey-Chrétien – optický systém dalekohledu, v němž má primární zrcadlo otvor, kterým procházejí paprsky odražené od sekundárního zrcadla do ohniska. Na rozdíl od Cassegrainova dalekohledu mají obě zrcadla hyperbolický tvar, což odstraňuje řadu optických vad. Výroba hyperbolického zrcadla je ovšem technologicky náročnější než parabolického nebo kulového. s ohniskovou vzdáleností 4,125 metru. V ohnisku je CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) matice o rozměrech 4096×4096 pixelůPixel (z angl. picture element) – v záznamové technice nejmenší jednotka měřící intenzitu dopadajícího světla, v zobrazovací technice jeden obrazovkový bod., každý pixel má velikost pouhých 12 mikrometrů a rozlišení 0,6″. Zorné pole dalekohledu je 41′. Přečtení dat z CCD matice trvá 2,5 sekundy. K dispozici je deset filtrů s vlnovými délkami: 9,4 nm (Fe XVIII); 13,1 nm (Fe VIII/XX); 17,1 nm (Fe IX); 19,3 nm (Fe XII/XXIV); 21,1 nm (Fe XIV); 30,4 nm (He II); 33,5 nm (Fe XVI); 155 nm (C IV); 160 nm (kontinuum) a 450 nm (bílé světlo). U tří dalekohledů jsou k dispozici dva různé filtry, u jednoho čtyři filtry.

AIA

Čtveřice dalekohledů AIA při výrobě. Zdroj: NASA.

SDO

Pohled na přední část observatoře s přístroji AIA, HMI a EVE. Zdroj: NASA.

Druhým přístrojem je helioseismometr a magnetometr HMI (Helioseismic and Magnetic Imager). Přístroj zkoumá podpovrchové vrstvy pomocí plazmových vln přicházejících ze Slunce a zobrazuje povrchová magnetická pole. Hlavním úkolem je výzkum slunečního dynama, které je zdrojem magnetického pole Slunce. Přístroj je obdobou detektoru MDI (Michelson-Doppler Interferometer) na observatoři SOHO. Snímkování probíhá v okolí spektrální čáry Fe I s vlnovou délkou 617,3 nm a vyhodnocuje se Dopplerův posuvDopplerův jev – změna frekvence vlnění při vzájemném pohybu zdroje a pozorovatele. Přibližuje-li se pozorovatel ke zdroji, naměří vyšší frekvenci, než když se vzdaluje. Může jít o zvukové, elektromagnetické i jakékoli jiné vlnění. Jev poprvé popsal rakouský matematik a fyzik Christiaan Doppler (1803–1853), který část svého krátkého života strávil jako profesor pražské Polytechniky, předchůdkyni dnešního ČVUT v Praze. této čáry. Obdobně jako pozorujeme uvnitř ZeměZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru. odrazy seismických vln od různých rozhraní, lze přístrojem HMI pozorovat například rozhraní zářivé a konvektivní zóny. Pořízené magnetogramy fotosféry zobrazují černou a bílou barvou různé polarity magnetického pole.

Posledním přístrojem je EVE (EUV Variability Experiment). Jeho základní úlohou je monitorování fluktuací extrémního ultrafialového záření dopadajícího ze Slunce na Zemi. Právě tato část záření nejvíce ovlivňuje horní vrstvy atmosféry, zahřívá je, ionizuje atomy a disociuje molekuly. Základní parametry observatoře SDO jsou uspořádány do následující tabulky:

Základní údaje o observatoři
start 11. 2. 2010, Mys Canaveral
nosná raketa Atlas V
hmotnost při startu 3 100 kg
dráha geosynchronní (36 000 km)
sklon dráhy k rovníku 28,5°
přenos dat 130 megabitů za sekundu
průměr zrcadla 4×20 cm
rozlišení 1,2″
rozměry sondy 4,5×4 m (sluneční panely 6,5 m)
životnost 5 let (10 let)
cena 850 milionů USD
Přístrojová část observatoře
AIA Zkratka z anglického Atmospheric Imaging Assembly. Jde o čtveřici dalekohledů o průměru 20 cm s deseti filtry pro různé vlnové délky. Dosažitelné úhlové rozlišení je 1,2″.
HMI Zkratka z anglického  Helioseismic and Magnetic Imager. Jde o helioseismometr a magnetometr.
EVE Zkratka z anglického EUV Variability Experiment. Jde o detektor fluktuací extrémního ultrafialového záření, které nejvíce ovlivňuje horní vrstvy atmosféry Země.

První snímky a videa

Již první snímky Slunce z observatoře SDO nám odkryly fascinující svět pohybujícího se slunečního plazmatuPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. a jeho propojení s magnetickým polem. Při přepojování magnetických silokřivekRekonekce – přepojení magnetických silokřivek, při kterém prudce změní svou dosavadní topologii do jiné, energeticky výhodnější podoby. Při tom dojde k uvolnění energie, která zahřeje okolní plazma. Někdy natolik, že plazma zazáří i v RTG nebo v gama oboru. dochází k uvolnění energie, zahřátí plazmatu a rychlým změnám tvaru a vyzařování jednotlivých útvarů. Určitě si prohlédněte pořízené snímky i ve vysokém rozlišení a nezapomeňte se podívat na dnešní Video týdne. Nechte se vtáhnout do dějů odehrávajících se na povrchu našeho SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.!

Slunce SDO

Obraz Slunce vytvořený složením tří snímků na vlnových délkách 21,1 nm (červená), 19,3 nm (zelená) a 17,1 nm (modrá). Snímek byl pořízen 8. dubna 2010 soustavou dalekohledů AIA. Po kliknutí myši získáte fotografii v rozlišení 4096×4096 pixelů s mimořádnými detaily. Určitě stojí za to si je prohlédnout. Zdroj NASA/SDO.

Slunce SDO

Tato fotografie byla pořízena v extrémní ultrafialové oblasti (17,1 nm) dne 18. května 2010. Vidíme na ní světlé oblasti plazmatu, které kopírují lokální magnetické silokřivky a temná plazmatická vlákna s poněkud nižší teplotou, než má okolí. Tato vlákna samozřejmě září, ale o něco méně než okolí, a proto se zdají tmavá. Jsou nestabilní a rychle se rozpadají. Kliknutím získáte fotografii ve vyšším rozlišení (1500×1034). Prohlédněte si i původní snímek celého Slunce (4096×4096), ze kterého je uvedená fotografie pouhým výřezem. Zdroj NASA/SDO.

Slunce SDO

Detail oblasti z předchozího snímku. Opět vidíme tmavá plazmová vlákna, jejichž délka se odhaduje na 60 průměrů Země a světlé oblasti plazmatu proudícího podél magnetických silokřivek. Kliknutím získáte fotografii ve vyšším rozlišení. Prohlédněte si také video složené z po sobě pořízených snímků. Zdroj NASA/SDO.

Slunce SDO

Jeden z prvních snímků Slunce pořízený 30. března 2010 při zahájení činnosti observatoře SDO (oproti originálu je otočen o 90°). Vlnová délka filtru byla 30,4 nm, což odpovídá čáře jedenkrát ionizovaného helia (teplotě 50 000 °C). Na snímku je dobře patrná protuberance. Po kliknutí získáte snímek ve vyšším rozlišení. Prohlédněte si také video složené z po sobě pořízených snímků. Zdroj NASA/SDO.

Video týdne: Sluneční observatoř SDO

SDO/AIA (avi/divx, 26 MB)

Sluneční observatoř SDO. Jde o sluneční observatoř americké NASA, která byla vynesena raketou Atlas V na geosynchronní dráhu v únoru 2010. Data jsou bez ukládání přenášena přímo do pozemské stanice ve White Sands. Základem observatoře jsou čtyři dalekohledy o průměru 20 cm, pomocí kterých je sledováno Slunce celkem v deseti spektrálních čarách (od extrémního UV po viditelné světlo). Jeden snímek je možné pořídit každých deset sekund, a je proto možné z nich snadno skládat videa procesů probíhajících na Slunci. Rozlišovací schopnost je kolem 1 obloukové vteřiny. Na observatoři je také helioseismometr a magnetometr HMI, který z šíření plazmových vln rekonstruuje podpovrchové útvary a současně je schopen pořizovat mapu magnetických polí na povrchu Slunce. Posledním přístrojem je EVE, zařízení určené pro sledování fluktuací ultrafialového záření od Slunce, které významně ovlivňuje horní vrstvu atmosféry Země. V klipu uvidíte první záběry a videa pořízené touto unikátní observatoří v různých vlnových délkách. Na závěr jsou zařazeny záběry ze startu této sluneční observatoře, která se stala nejcitlivějším zařízením pro pozorování Slunce ve vesmíru. (avi/divx, 26 MB) (vyšší rozlišení, 124 MB)

Literatura

Valid HTML 5 Valid CSS!

Aldebaran Homepage