Polacy, którzy badają Słońce

Jeśli słyszysz, że w kosmosie zbadano widmo rentgenowskie Słońca, a dokładnie jego korony, to niemal pewnym jest, że wykonano to za pomocą urządzeń skonstruowanych przez Polaków. W grodzie nad Odrą przeprowadzono pierwszy w Polsce eksperyment kosmiczny, było to czterdzieści lat temu. Od tego czasu badacze z Wrocławia wciąż interesują się największą gwiazdą naszego układu, przeprowadzają swe badania z przestrzeni kosmicznej, nie wylatują wprawdzie sami na orbitę, ale wysyłają tam skonstruowaną przez siebie aparaturę badawczą i za jej pomocą potrafią niemal dotknąć rozżarzonego do milionów stopni Kelwina Słońca.

O pracach wrocławskich badaczy będzie też głośno w niedalekiej przyszłości. - Zgłosiliśmy kilka interesujących projektów przyrządów, które zyskały uznanie Narodowego Centrum Nauki i będą finansowane - mówi prof. Janusz Sylwester (z pochodzenia opolanin), kierownik Zakładu Fizyki Słońca Centrum Badań Kosmicznych PAN we Wrocławiu.

Słońce nam grozi

Dlaczego aż lot w kosmos jest potrzebny do badań, skoro Słońce widać gołym okiem i z Ziemi obserwuje się je intensywnie od czasów Galileusza? Tyle że Galileusz nie wiedział jednego - atmosfera ziemska potrafi mocno wypaczyć obraz Słońca, zatrzymując wiele ważnych informacji na jego temat. A z kosmosu widać więcej.

- Galileusz na początku XVII wieku stwierdził, że Słońce nie jest ciałem doskonałym, ale ma plamy. Można je obserwować z Ziemi, tyle że te obserwacje optyczne ograniczają się do zakresu widma, na które oko ludzkie jest wrażliwe. Tymczasem najciekawsze rzeczy rozgrywają się w innych zakresach widmowych - tam, gdzie jest daleki, ekstremalny ultrafiolet i promieniowanie rentgenowskie - mówi prof. Sylwester.

Owe słynne plamy są intrygujące, ale i groźne - bo ich aktywność powoduje zakłócenia na Ziemi łączności, wypacza wskazania GPS-ów, wywołuje przepięcia na liniach przesyłowych. - Wpływają na funkcjonowanie naszej cywilizacji - mogą doprowadzić do katastrofy całkiem dużego kalibru. Wyobraźmy sobie, że samolot ląduje wedle wypaczonych za sprawą wiatru słonecznego wskazań; albo całkowitą utratę łączności ze statkami na morzu- mówi Janusz Sylwester.
W jego pracowni na komputerze można na bieżąco śledzić aktywność słoneczną, akurat jest dość spora, odnotowano parę rozbłysków, które mogły mieć wpływ na spowolnienie wskazań GPS-ów.

W 1859 roku niejaki Richard Carrington, brytyjski amator obserwacji Słońca, zauważył w otoczeniu plam słonecznych białe piętno. To była pierwsza historyczna obserwacja słonecznych rozbłysków. Zjawisko pojawiło się i po godzinie ustało, ale już następnego dnia okazało się, że na Ziemi dzieją się rzeczy niezwykłe. Na liniach telegrafu zaczęły się palić miedziane przewody, na stacjach telegrafów powstawały pożary. - Pamiętajmy, że kable miedziane miały wówczas kilkudziesięciomilimetrowe przekroje, były więc grube, ale i tak się spalały i topiły. - mówi naukowiec.

Prześwietlić koronę

Słońce daje fizykom darmowy pokaz tego, jak uzyskać niemal nieograniczone pokłady energii. Rozpracowanie tego zjawiska i przeniesienie go - etap po etapie - na Ziemię spowodowałoby, że wreszcie Ziemianie staliby się niezależni od takich zasobów naturalnych jak gaz, czy węgiel. Nawet współczesne elektrownie atomowe przeszłyby do lamusa, zastąpione elektrowniami, w których reaktory działałyby zgodnie z reakcjami zaobserwowanymi na Słońcu.
- Słońce oglądane z kosmosu zdradza wiele tajemnic, a największym sekretem jest, że korona ponad fotosferą, ma zastanawiająco wysoką temperaturę. Fotosfera ma 6 tysięcy stopni Kelwina, zaś korona - ponad milion stopni - mówi Janusz Sylwester.

Skąd to piekło nad Słońcem? Te pytanie nauka stawia sobie od ponad 60 lat, a rentgenowska penetracja Słońca przybliża do odpowiedzi.

- Część osób uważa, że gaz, z którego składa się Słońce, jest kompletnie zjonizowany, zaś na Słońcu obecne jest pole magnetyczne, którego energia zamienia się w energię cieplną. Te ogromne obszary wokół plam słonecznych mają natężenie pola magnetycznego porównywalne do tomografu wielkości kuli ziemskiej - wyjaśnia naukowiec.
Pole magnetyczne przyśpiesza zjonizowane cząsteczki, te zderzają się, hamują i nagrzewają. To tak jak "palenie gum" rozkręconych ma "maksa" kół w motocyklach czy samochodach, któremu towarzyszy wydzielanie się ciepła.
- Można też użyć kuchennego porównania - mówi Sylwester. - Na patelni, gdy podgrzewamy olej, widać, że tworzą się w nim bąbelki, górki, słychać też szum - czyli w trakcie konwekcji powstają też fale dźwiękowe. Podobnie na Słońcu.
Badacze odkryli, że niektóre obszary Słońca mają i sześć milionów stopni Kelwina, a energia wyzwalana w trakcie rozbłysków Słońca - gdyby była dostępna na Ziemi - wystarczyłaby do odparowania wszystkich wód na naszej planecie.

- Jeżeli zrozumiemy szczegóły procesu zamiany energii magnetycznej na kinetyczną i na ciepło, to zdobędziemy wiedzę potrzebną do produkcji praktycznie nieograniczonej ilości energii. Oczywiście można się tego uczyć, eksperymentując w skomplikowanych naziemnych reaktorach za dziesiątki miliardów euro. Ale koszt budowy aparatury kosmicznej i wyniesienia jej poza atmosferę jest o wiele niższy.

Z motyką na Słońce

Od przeszło 40 lat wrocławscy naukowcy regularnie uczestniczą w badaniu przestrzeni kosmicznej. Pionierem był prof. Jan Mergentaler, który kierował wrocławskim zespołem, a jednym z jego członków - dr Zbigniew Kordylewski, który skonstruował aparat do zdjęć rentgenowskich Słońca, jaki wyniesiono w przestrzeń kosmiczną, tym samym przeprowadzono pierwszy polski eksperyment kosmiczny.

- To była bohaterska, ale brawurowa decyzja profesora - wspomina Kordylewski. - Z ówczesnego Związku Radzieckiego przyszła informacja, że na wysyłanych w kosmos obiektach radzieckich będzie udostępnione miejsce dla aparatury naukowej budowanej w krajach "demoludów". Decyzja była odważna, bo wprawdzie Rosjanie wysłali już pierwszego satelitę w kosmos, ale mimo to ich doświadczenia nie były wielkie, każdy kolejny eksperyment mógł się skończyć źle. Profesor zadecydował: jeśli teraz nie podejmiemy decyzji, to już nigdy nie dogonimy czołówki.
Wrocławskie laboratorium, mówiąc delikatnie, nie miało jakiegoś specjalnego technicznego przygotowania ani warsztatu. - Były obrabiarki sprzed wojny - wspomina Kordylewski. - Ale bazując na zapale młodych pracowników i asystentów, udało się skonstruować aparaturę przełomową, aparat rejestrujący promieniowanie rentgenowskie.
Ów spektroheliograf rentgenowski (tak fachowo nazywa się urządzenie) osiągnął wysokość 500 km nad powierzchnią Ziemi, a na wykonanie zdjęć miał zaledwie 10 minut (tak długo rakieta przebywała poza atmosferą). Udało się - aparat wrócił z serią rentgenowskich ujęć Słońca. Niektórzy twierdzili, że ów eksperyment był typowym przysłowiowym porwaniem się z motyką na słońce. Możliwe, ale ważne jest, że się udało i Polacy zostali liderami badań korony słonecznej.

Know how, czyli Polak potrafi

Ważnym współczesnym projektem, w którym uczestniczył wrocławski Zakład Fizyki Słońca Centrum Badań Kosmicznych PAN, jest KORONAS. W kosmos wysłano kilka stacji orbitalnych przeznaczonych do badania zjawisk, które zachodzą na powierzchni i we wnętrzu Słońca, praktycznie na każdej były wrocławskie spektrometry, o wiele czulsze niż wszystkie inne.

Pod koniec lat 90. rozszerzono współpracę zagraniczną - na przykład naukowcy z Wielkiej Brytanii podarowali wrocławskim kolegom detektory promieniowania X, a Amerykanie dołożyli kryształy spektrometrów. - Wedle własnego pomysłu połączyliśmy te elementy i skonstruowaliśmy spektrometr rentgenowski, który umożliwił rejestrację widm rozbłysków, czyli najsilniejszych zjawisk w koronie Słońca, gdzie temperatura może sięgać do 30 milionów stopni Kelwina - mówi Janusz Sylwester.

Dlaczego ekipa z Wrocławia skonstruowała coś, na co nie wpadli ani Anglicy, ani Amerykanie? - A dlaczego ktoś kiedyś koło wymyślił? - odpowiada pytaniem na pytanie naukowiec. - Istniał zasób umiejętności ludzi, dla których rozrywką intelektualną jest zrobić coś przy ograniczonych środkach. I tylko dzięki temu są wyniki. No, pomyśleliśmy. Po prostu nikt nie wpadł na to, że można kupić odpowiednie detektory, elementy elektroniki i za cenę, na którą stać naukę polską, zrobić system mechaniczny, złożyć, przetestować, wysłać na orbitę.

Do eksperymentu kosmicznego należy się przygotowywać latami, od pomysłu do samego zbudowania aparatury - bywa, że mija dziesięć lat. - A potem trzeba jeszcze aparaturę odpowiednio przebadać - podkreśla Zbigniew Kordylewski. - Wyniesienie czegokolwiek na orbitę wiążę się z problemem odporności na wibrację, w trakcie podróży rakietą te wibracje są szalone, i elementy mechaniczne i elektroniczne są narażone na uszkodzenia - choćby przy starcie. Każdy element trzeba sprawdzić w laboratorium w odpowiednich zbliżonych do kosmicznych warunkach - czyli w próżni, wystawia się na działanie światła słonecznego, nagrzewa, a następnie szybko ochładza. Taka aparatura musi działać w minimalnym zakresie od minus 50 do plus 80 stopni Celsjusza. Do tego dochodzą zmiany ciśnienia.

Praca w próżni też stwarza problemy, występuje tam bowiem efekt samospawania się metali - które podczas pracy urządzenia przylegają do siebie, ocierają się.
Aparaturą po wyniesieniu w kosmos trzeba sterować, należy więc ją wyposażyć w komputer z systemem telemetrii. Co więcej - komputer musi zebrać dane, o które nam chodzi, przetworzyć je i skompresować, a następnie wysłać w postaci wiązki danych do stacji naziemnej, gdzie znów komputer rozkoduje dane i przekaże nam je jako bazę materiałów do dalszych badań i wnioskowań.

W podręcznikach zapisano

W oparciu o wyniki obserwacji z wrocławskich urządzeń, szczególnie ze Sfinksa i z Resika, powstało już kilka prac naukowych, są też odkrycia wpisywane do podręczników astronomicznych. Za pomocą spektrometru Resik, odkryto, ile jest szlachetnego gazu argonu w Słońcu. - Ten gaz na Słońcu jest prawie całkowicie zjonizowany (w ziemskich warunkach jest obojętny) i świeci, a więc daje linie widmowe w zakresie rentgenowskim. Polakom udało się zmierzyć te linie i określić, ile tego gazu jest na Słońcu procentowo - wyjaśniają naukowcy. - Na Ziemi argonu jest 1-1,5 %, na Słońcu tego jest tak mało, że można to jedynie wyrazić w ten sposób: 6 cząstek na milion protonów. Ta wielkość była nieznana, przed nami nikomu nie udało się tego wcześniej określić. Tymczasem skład chemiczny gwiazd to podstawowy parametr astrofizyczny, on nam mówi o tym, z jakiej materii powstało Słońce. Jeśli są tam linie żelaza i argonu, to informacja, że ta materia, z której powstało Słońce, kiedyś stanowiła część innej gwiazdy, prawdopodobnie gwiazdy Supernowej, która eksplodowała i w trakcie tej eksplozji powstał cały szereg pierwiastków cięższych od żelaza. Podobnie ważna jest informacja o tym, ile wynosi jasność Słońca w zakresie rentgenowskim, bo dzięki temu wiemy, jaka ilość promieniowania dochodzi do atmosfery.

Opolskie korzenie

Naukowcy, którzy upodobali sobie Słońce, skupiają się we Wrocławiu. Doktor Kordylewski pochodzi z Krakowa. Profesor Sylwester - z Opola, młodość spędził na Pasiece, mieszkał dosłownie 100 merów od redakcji nto. W MDK-u prowadzono wówczas kółko astronomiczne, Janusz uczęszczał tam na zajęcia od 6. roku życia do zakończenia liceum (uczył się w liceum im. Marii Konopnickiej). Pod koniec był nawet prezesem kółka, a jako nastolatek miał już publiczne wykłady na temat astronomii. Przychodziło na te wykłady sporo ludzi, bo sława chłopaka, który o gwiazdach wiedział niemal tyle, co Gagarin - rozniosła się po Opolu.

Jednak na opolskich uczelniach nie można było studiować astrofizyki. Chłopak wyjechał więc do Wrocławia, gdy miał 22 lata skończył studia, mając 27 lat - zrobił doktorat. Do Opola już nie wrócił.

- Słyszałem, że macie w Opolu aż dwa obserwatoria astronomiczne - mówi. - Jedno w centrum handlowym, drugie - na Uniwersytecie Opolskim. Trzeba korzystać z każdej okazji, by spojrzeć w niebo. Tym bardziej, że fizyki w szkole uczy się teraz godzinę tygodniowo. A na niebie się tyle dzieje!