Strona główna

Archiwum z roku 2002

Spis treści numeru 3/2002

Polski podbój kosmosu
Poprzedni Następny

Badania naukowe

Nadzór nad międzynarodowym projektem badań korony Słońca sprawują Polacy. 
To od ich pracy zależy w dużym stopniu powodzenie całego przedsięwzięcia, 
które rozpoczęło się w ostatnim dniu lipca ubiegłego roku.

Mariusz Karwowski

W potoku informacji o kolejnych komercyjnych lotach w kosmos i potencjalnym w nich udziale Polaków niemal niezauważane pozostają wiadomości o innych, o wiele bardziej znaczących dla rozwoju nauki dokonaniach na polu badań przestrzeni kosmicznej. A szkoda, bo tu już teraz mamy się czym pochwalić. 

Pod koniec lipca ubiegłego roku wśród pracowników wrocławskiego Zakładu Fizyki Słońca, należącego do Centrum Badań Kosmicznych PAN, dało się wyczuć spore napięcie. Z niepokojem, pełni obaw, ale zarazem ciekawi efektów swej pracy, uczeni oczekiwali ostatniego dnia miesiąca. Po nieprzespanej nocy, we wtorek, dość wcześnie dotarli na ul. Mikołaja Kopernika, do siedziby Zakładu. Jeszcze tylko mocna kawa i już można było rozpocząć gorączkowe szukanie pierwszych doniesień. Wszędzie: w Internecie, agencjach prasowych, specjalistycznych serwisach. Kilka godzin później odetchnęli z ulgą. Wszystko poszło zgodnie z planem. Rakieta Cyklon-3 wyniosła na orbitę obserwatorium słoneczne KORONAS-F, na pokładzie którego znalazły się, skonstruowane właśnie we Wrocławiu, dwa spektrometry Bragga RESIK i DIOGENESS. Otwarto tym samym kolejny etap polskich badań kosmicznych.

MAŁY JUBILEUSZ

Spektrometr DIOGENESS

Wydarzenie, które miało miejsce ponad pół roku temu, nie było pierwszym eksperymentem, w którym zastosowano aparaturę naukową wykonaną w Zakładzie Fizyki Słońca. Od przeszło 30 lat wrocławscy naukowcy regularnie uczestniczą w badaniu przestrzeni kosmicznej. I co ważne, mają w tym zakresie spore zasługi.

– Po raz pierwszy nasze przyrządy zastosowano pod koniec 1970 r. Zespół pod kierunkiem prof. Jana Mergentalera był pionierem polskich eksperymentów kosmicznych. Wówczas na obiekcie Wertikal 1 zainstalowaliśmy spektroheliograf rentgenowski, który osiągnął wysokość 500 km nad powierzchnią Ziemi, wykonując w ciągu 10 minut serię rentgenowskich zdjęć fotograficznych Słońca – przypomina dr Zbigniew Kordylewski, konstruktor tych przyrządów, od samego początku biorący udział we wrocławskich doświadczeniach heliofizycznych.

W kolejnych próbach Polacy wysyłali w kosmos szerokopasmowy oraz monochromatyczny fotometr rentgenowski, teleskop rentgenowski, rakietowy „Dopplerometr” rentgenowski, skanujący spektrometr rentgenowski oraz – 8 lat temu – kolimowany spektrometr. W sumie od 1970 r. polska aparatura służąca za każdym razem do badania procesów zachodzących w koronie słonecznej brała udział w dziewięciu misjach satelickich. Rozpoczęta w lipcu ubiegłego roku jest zatem już dziesiątą. Trzeba przy tym dodać, że nie zawsze eksperymenty w pełni się udawały. W 1977 r. przyrządy znajdujące się na pokładzie Wertikala 5 nie zadziałały. Prawdopodobną przyczyną niepowodzenia był... brak napięcia. Poza tym, przy lądowaniu obiekt rozbił się. Trzy lata później nie otworzył się zasobnik obserwatorium słonecznego. Z kolei w 1994 r. satelita KORONAS-I utracił możliwość stabilizacji. Problemów nie uniknięto i w trakcie trwającej właśnie misji satelity KORONAS-F. Aparatura była przygotowywana już od zakończenia poprzedniego eksperymentu na satelicie KORONAS-I. Planowany termin startu – rok 1997. Nie była to data przypadkowa. Właśnie wtedy przypadał rok minimum aktywności słonecznej. Z powodu opóźnień w przygotowaniu satelity termin jego startu przesunięto na rok 2001, gdy z kolei miało miejsce maksimum aktywności słonecznej.

– Spowodowało to spore utrudnienia we właściwym przygotowaniu aparatury – wyjaśnia dr Kordylewski. – Wzmożona aktywność Słońca wymagała wymiany pewnych elementów, zmiany zabezpieczeń elektroniki i programu funkcjonowania. To tak, jak z fotografem, który w zależności od warunków oświetlenia, musi odpowiednio nastawić aparat. Niestety, nie otrzymaliśmy z Komitetu Badań Naukowych dodatkowego dofinansowania na ten cel. Jednak nie chcąc zmarnować dotychczasowych nakładów, pracy zespołu i starając się nie nadwerężyć zaufania naszych zagranicznych partnerów, poszukiwaliśmy dodatkowych środków u sponsorów w ramach akcji „I Ty możesz zaistnieć w kosmosie”. 

Mimo sporego nagłośnienia, akcja przyniosła mizerne rezultaty. Wobec ograniczeń finansowych, aparatura poleciała wprawdzie w kosmos, ale w stanie nie zapewniającym pełnego wykorzystania jej możliwości pomiarowych.

– Obecnie, sterując jej pracą z Ziemi poprzez łącza radiowe, staramy się poszerzyć możliwości pomiarowe, jednakże bez dodatkowych pieniędzy prace idą powoli. Istnieje niebezpieczeństwo, że w przypadku awarii satelity lub zmniejszenia się aktywności słonecznej, która już powoli maleje, jedyna w tej chwili aparatura pomiarowa tej klasy, nie zostanie należycie wykorzystana. Niestety, takie są warunki polskiej nauki.

Na szczęście, głównie dzięki ogromnej ambicji i zaangażowaniu, większości problemów udało się w porę zapobiec i nie przeszkodziły one dotychczas w funkcjonowaniu polskich przyrządów. To dobrze, wszak misja, jaką mają do spełnienia, jest bardzo istotna w rozwoju badań kosmicznych na świecie.

JEDYNE W SWOIM RODZAJU

Oba polskie aparaty, RESIK i DIOGENESS, są unikatowe. Służą do obserwacji promieniowania rentgenowskiego Słońca powstającego w strukturach aktywnych górnych warstw jego atmosfery (tzw. koronie), o temperaturach powyżej kilku milionów stopni.
– W warunkach podwyższonej aktywności Słońca obserwuje się trwające od kilkunastu minut do kilku godzin tzw. rozbłyski, w których wydziela się gwałtownie olbrzymia ilość energii, sięgająca wielkości rzędu 1024 dżuli. Energia ta rozgrzewa plazmę do temperatury kilkudziesięciu milionów stopni, czyli znacznie wyższej niż w samym jądrze Słońca. Z rozbłyskami związana jest emisja silnego promieniowania w zakresie rentgenowskim i ultrafioletowym oraz wyrzuty miliardów ton materii z prędkościami do kilkuset km/s. Stowarzyszone z rozbłyskami cząstki elementarne o wielkich energiach wywołują tzw. burze magnetyczne i powodują zakłócenia w łączności radiowej. Konsekwencjami burz magnetycznych są np. awarie sieci energetycznych, linii przesyłowych, rurociągów i innych rozległych infrastruktur, znajdujących się na Ziemi i pod jej powierzchnią. Dodatkowo cząstki te stwarzają zagrożenie dla wszystkiego, co nie jest chronione przez ziemską atmosferę. Już kilkakrotnie notowano awarie satelitów po rozbłyskach słonecznych. Są to wielkie straty materialne, nie mówiąc już o konsekwencjach, gdy taka awaria przytrafi się satelitom przeznaczonym do łączności lub do celów militarnych – tłumaczy doc. Janusz Sylwester, kierownik Zakładu Fizyki Słońca CBK PAN we Wrocławiu, odpowiedzialny za polskie przyrządy.

To właśnie za ich pomocą zostaną szczegółowo zbadane procesy prowadzące do powstawania rozbłysków i wydzielania energii w koronie Słońca. Jeśli uda się je dokładnie poznać, wówczas będzie można z większą precyzją przewidzieć stan tzw. pogody kosmicznej. Pozwoli to zawczasu prognozować, ogłaszać alerty, wyłączać zasilanie w obiektach kosmicznych, chronić załogi statków kosmicznych w specjalnych komorach oraz uruchamiać lub utrzymywać w pogotowiu dodatkowe systemy naziemne. Bezpośrednim rezultatem pracy spektrometrów będzie też przebadanie składu chemicznego rozbłysków i jego zmian w czasie. Takie badanie, przeprowadzone po raz pierwszy w sposób kompleksowy, będzie mieć ogromne znaczenie astrofizyczne.

PODZIAŁ PRAC

Spektroheliograf rentgenowski
– pierwsza polska aparatura z
rakiety Wertikal 1

Przygotowania do misji trwały od ponad 7 lat. Przyrząd RESIK powstawał w ramach szerokiej współpracy międzynarodowej. Jego nazwa wzięła się od pierwszych liter rosyjskiego wyrażenia „Rentgenovsky Spektrometr s Izognutymi Kristałami”, co oznacza spektrometr rentgenowski z wypukłymi kryształami.

– Pracowali nad nim uczeni z amerykańskiego Naval Research Laboratory, brytyjskich laboratoriów Mullard Space Science oraz Rutheford-Appleton, a także rosyjskiego instytutu IZMIRAN. Przyrząd DIOGENESS powstał przy wybitnej pomocy Instytutu Astronomii CzAN w Czechach. My pełniliśmy rolę tzw. „Principal Investigator”, a więc koordynatora prac tych różnych zespołów – mówi doc. Sylwester. W przygotowaniu misji satelity KORONAS-F brali też udział naukowcy z Francji, Niemiec i Ukrainy.
Ta międzynarodowa kooperacja naturalnie niejako wymogła na uczestnikach konieczność podziału obowiązków w ramach realizowanego programu. I tak, Rosjanie zapewnili bezpłatne wyniesienie satelity i obsługę eksperymentów, Amerykanie byli odpowiedzialni za przygotowanie wielkopowierzchniowych monokryształów kwarcu i krzemu, ich profilowanie, badania krystalograficzne i justowanie w ramach przyrządu, a Brytyjczycy wykonali proporcjonalne detektory pozycyjne promieniowania X i odpowiednie do nich zasilacze wysokiego napięcia oraz przeprowadzili kalibrację przyrządu w specjalnej komorze próżniowej. Nad przebiegiem eksperymentu pieczę sprawują Polacy.

– My pełnimy nadzór nad całym projektem. Cóż to oznacza? Musieliśmy wykonać część cyfrową przyrządu zawierającą kilka procesorów oraz komputer pokładowy pozwalający na zdalne sterowanie aparaturą i jej przeprogramowanie w trakcie lotu. Opracowaliśmy też programy komunikacyjne pomiędzy poszczególnymi blokami funkcjonalnymi. W tej chwili kontrolujemy na bieżąco przebieg eksperymentu. Do nas należy też reformatowanie i analiza danych – wyjaśnia dr Kordylewski.

Trzeba przyznać, obowiązki dość rozległe. Nie będzie chyba więc wielkiej przesady, jeśli to Polakom przyznamy przewodnią rolę w tym eksperymencie. To od ich pracy zależy w dużym stopniu powodzenie całego przedsięwzięcia, które rozpoczęło się w ostatnim dniu lipca ubiegłego roku.

ZGODNIE Z PLANEM

Punktualnie o godzinie 10.00 z Kosmodromu Plesieck, znajdującego się w okręgu archangielskim na północy Rosji, zaledwie kilkanaście kilometrów poniżej kręgu polarnego, wystartowała rakieta Cyklon-3, wynosząc na orbitę okołoziemską satelitę KORONAS-F, stanowiącego orbitalne obserwatorium słoneczne, którego jedna oś jest stale skierowana na środek tarczy słonecznej. Ważąca ponad 180 ton i kosztująca ok. 20 mln dolarów rakieta została skonstruowana w 1970 r. przez ukraińskie biuro im. Michała Jangiela w Dniepropietrowsku. Wspomniany start był jej 114 pomyślnym spośród 119 dotychczas przeprowadzonych.
– O godzinie 10.51 satelita oddzielił się od rakiety, po czym nawiązano z nim stabilną łączność telemetryczną poprzez stacje Ne?sterlitz w Niemczech i Taurus w rejonie moskiewskim. 40 minut później sterowanie przejęły służby naziemne. Obserwatorium o masie 2260 kg zostało wyniesione na zakładaną orbitę biegunową o nachyleniu 82,5 stopnia w stosunku do równika. Z takiej orbity, zsynchronizowanej z ruchem Słońca, możliwe jest prowadzenie jego nieprzerwanych obserwacji w okresach do 20 dni – tłumaczy dr Kordylewski.

W połowie sierpnia, na komendę z centrum sterowania lotem znajdującym się w Tricku niedaleko Moskwy, włączono napięcie na wszystkie przyrządy. Od tego momentu drogą telemetryczną zaczęły regularnie napływać dane w objętości ok. 20 MB dziennie. Ich analiza pozwala kontrolować na bieżąco prawidłowość pracy aparatów i ustawienie parametrów programów umieszczonych w pamięci komputera pokładowego. Zestaw tych parametrów oraz ewentualne korekty programów przekazywane są do komputera pokładowego z Ziemi, także drogą telemetryczną. Pod koniec sierpnia rozpoczęto dokładne obserwacje mające na celu określenie absolutnego (w stosunku do wodoru) składu chemicznego plazmy w koronie Słońca dla kilkunastu pierwiastków o zróżnicowanym pierwszym potencjale jonizacji oraz badanie zmian ich obfitości w czasie. Te cele zostaną zrealizowane za pomocą spektroskopii rentgenowskiej. Stąd właśnie tak wielka rola przyrządów skonstruowanych we Wrocławiu pod kierunkiem doc. Janusza Sylwestra. Nad ich powstawaniem pracowali także: astronom dr Zbigniew Kordylewski, zespół elektroników i informatyków w składzie: mgr inż. Mirosław Kowaliński, mgr inż. Witold Trzebiński, mgr inż. Ireneusz Gaicki, inż. konstruktor Stanisław Nowak, a także kadra precyzyjnych mechaników i elektroników: Eugeniusz Stańczyk, Jarosław Bąkała i Marek Oczyński.

MATERIAŁ DO ANALIZY

Spektrometr RESIK

– RESIK składa się z trzech funkcjonalnych bloków: spektrometru o wadze ok. 20 kg, umieszczonego na platformie śledzącej satelity w otwartej przestrzeni kosmicznej, 3-kilogramowego komputera oraz ważącego tyle samo bloku zasilania. Te dwa ostatnie elementy znajdują się w odległości ok. 3 metrów w hermetycznym zasobniku wypełnionym azotem pod ciśnieniem ok. 1 atmosfery – opisuje doc. Sylwester. – Główny blok przyrządu – spektrometr, jest wyposażony w cztery wygięte kryształy. Wskutek tego w każdym miejscu wiązka pada pod innym kątem do powierzchni, a więc zgodnie z regułą Bragga, od każdego miejsca kryształu odbija się promieniowanie rentgenowskie o innej długości fali. W ten sposób uzyskuje się całe widmo jednocześnie. Dzięki zastosowaniu specjalnych detektorów pozycyjnych, zbieranie informacji o całym obserwowanym widmie trwa jedynie kilka sekund. Pozwala to na rejestrowanie nawet szybkich zmian w rozbłysku słonecznym.

– Z kolei DIOGENESS jest powtórzeniem eksperymentu z identycznym przyrządem, funkcjonującym w 1974 r. na satelicie KORONAS-I. Przeznaczony jest on do badania przepływów energii w plazmie rozbłysków i składa się również z trzech bloków: spektrometru, fotometru promieniowania X oraz komputera sterującego – dodaje dr Kordylewski. – Spektrometr posiada cztery płaskie kryształy, rozszczepiające promieniowanie rentgenowskie na widmo, podobnie jak pryzmat rozszczepia białe promieniowanie na widmo o barwach tęczy. Tu jednak od kryształu odbija się tylko promieniowanie monochromatyczne, którego długość fali, znów zgodnie z regułą Bragga, jest funkcją kąta padania wiązki na kryształ. Promieniowanie w różnych długościach fali jest rejestrowane przez detektor promieniowania rentgenowskiego, podobny do licznika Geigera. Zmianę długości fali uzyskuje się dzięki powolnemu obrotowi kryształów, a więc poprzez zmianę kąta padania wiązki. Jedyną niedogodnością wynikającą z tego faktu jest to, że widmo rejestrowane jest sukcesywnie, w miarę obrotu kryształu. Cały obserwowany zakres widma wymaga zatem skanowania przez około 2 minuty, co jest dość długim czasem, w porównaniu z szybko zachodzącymi zmianami w rozbłysku. Spektrometr i fotometr umieszczone są w otwartej przestrzeni kosmicznej na platformie satelity śledzącego Słońce, natomiast komputer znajduje się w zasobniku hermetycznym. Całkowita waga DIOGENESSA wynosi ok. 16 kg.

Oba zestawy przyrządów wzajemnie się uzupełniają, zbierając pomiary z różnych zakresów długości fal i w sumie pokrywając obszar widma, który dotychczas nie był jeszcze nigdy obserwowany równocześnie. Jak przyznają nasi rozmówcy, jest to niezmiernie cenny materiał, którego wartość wydaje się tym większa, że w tej chwili nie ma w kosmosie żadnego innego spektrometru rentgenowskiego badającego promieniowanie Słońca. Uzyskane dane pomogą interpretować obserwacje Słońca otrzymywane z satelitów SOHO, TRACE oraz Yohkoh. Już teraz, w ciągu ponad półrocznego okresu pracy aparatury, został zebrany pokaźny materiał, którego opracowanie wymaga następnych miesięcy pracy zespołu teoretyków.

– Takie są procedury pracy astronomów. Pierwszy etap polega na gromadzeniu obserwacji, a drugi na długotrwałych obliczeniach. Jednak już dziś widać, że zebrane informacje są niesłychanie cenne, dotyczą wielu niezbadanych dotąd, ciekawych zjawisk. Materiał ten niewątpliwie przyczyni się do pogłębienia wiedzy o rozbłyskach słonecznych – mówi dr Zbigniew Kordylewski.

W tej chwili w Zakładzie Fizyki Słońca trwa gromadzenie materiału obserwacyjnego, jego wstępna obróbka i analiza, pozwalająca na coraz lepsze dobieranie parametrów pracy przyrządu. O wstępnych wynikach informowani są na bieżąco heliofizycy z całego świata. Te unikatowe informacje posłużą zapewne wielu z nich do badań teoretycznych.

Komentarze