Kesäpäivien kunniavieras: SOHO

SOHO kuvaa ja tutkii Aurinkoa

Paljaalla silmällä katsottuna Aurinko näyttää rauhalliselta, mutta sitä se ei ole: lähin tähtemme kuohuu ja myrskyää jatkuvasti. ESAn SOHO-luotain näyttää tämän hyvin konkreettisesti. SOHO on sijoitettu 1,5 miljoonan kilometrin päähän Maasta niin sanottuun Lagrangen pisteeseen Maan ja Auringon väliin, missä se kiertää Aurinkoa samaan tahtiin Maan kanssa ja pysyy sen ansiosta paikallaan kummankin suhteen. Toisin sanoen se on erinomaisessa asemassa Auringon tarkkailemiseen.

Aitiopaikaltaan se lähettää päivittäin kuvia tiedemiehille ympäri maailmaa jotta he voisivat tutkia Aurinkoa ja ennustaa esimerkiksi avaruussäätä, joka vaikuttaa yhä enemmän ja enemmän teknistyneeseen yhteiskuntaamme ja sen toimintaan.

SOHO on yksi osa ESAn tiedeohjelman kulmakiviohjelmista . Samalla se on osa kansainvälistä Maan ja Auringon välisen vuorovaikutuksen fysiikkaa tutkivaa tiedeohjelmaa. Tähän ohjelmaan osallistuvat ESAn lisäksi amerikkalaisen Nasan sekä Japanin, Venäjän, Ruotsin ja Tanskan kansalliset avaruusorganisaatiot.

Eurooppalaiset avaruusyhtiöt ovat rakentaneet SOHOn Matra Marconi-yhtiön johdolla ESAn tilauksesta. Aluksessa on 12 tieteellistä instrumenttiä, joista 9 on Euroopasta ja kolme Yhdysvalloista. Suomalaiset ovat rakentaneet laitteista kaksi. Yli viisisataa tiedemiestä 20 eri maasta on tekemisissä SOHOn kanssa.

SOHO laukaistiin avaruuten 2.12.1995 Nasan toimesta ja Nasa vastaa myös sen päivittäisestä operoinnista. SOHOn komentokeskus ja tietojen vastaanottokeskus sijaitsee Goddardin avaruuslentokeskuksessa lähellä Yhdysvaltain pääkaupunkia Washingtonia. Kommunikointi aluksen kanssa tapahtuu Nasan Deep Space Networkin suurten antennien kautta, jotka sijaitsevat puolestaan Goldstonessa (Kaliforniassam USAssa), Camberrassa (Australiassa) ja Madridissa (Espanjassa). Ohjauskeskuksen tärkein tehtävä on tietojen vastaanottamisen lisäksi pitää SOHO oikeassa asennossa, jotta sen instrumentit osoittavat pysyvästi Aurinkoon, sekä varmistaa että alus pysyy tarkasti halutulla elliptisellä radalla L1-pisteen ympärillä.

Goddardin avaruuslentokeskukseen on myös koottu ryhmä tiedemiehiä, joiden tehtävänä on suunnitella ja suorittaa päivittäiset havainnot SOHOn tieteellisillä laitteilla. Keskuksessa olevat istrumenteistä vastaavat tutkijat ja heidän ympäri maailmaa sijaitsevat tutkimusryhmänsä ovat yhteydessä toisiinsa internetin välityksellä.

SOHOn tehtäviin kuuluu tehdä havaintoja monista Auringon ja sen ympäristön osa-alueista. Se tarkkailee Auringon pintaa näkyvän valon aallonpituudella ja saa näin tietoa sisäosista, se kuvaa Auringon myrskyisää kaasukehää ja sen lähiavaruutta, minkä lisäksi se ehtii tutkimaan myös aurinkokuntaa aina sen kaukaisiin ulko-osiin asti, missä Auringosta peräisin oleva aurinkotuuli taistelee muista tähdistä tulevia hiukkasia vastaan.

SOHOn oli tarkoitus toimia alkuperäisen suunnitelman mukaisesti vuoteen 1998 asti, mutta sen hyvän kunnon ja erinomaisten tutkimustulosten ansiosta ESA ja Nasa päättivät jatkaa sen toiminta-aikaa ainakin vuoteen 2003 asti. Tämä päätös on mahdollistanut Auringon tarkkailun sen aktiivisuuden ollessa minimissään 1996, sekä aktiivisuuden saavuttaessa maksiminsa vuoden 2001 paikkeilla.

Vaikka SOHO on ollut menestys, ei ongelmiltakaan ole vältytty. Vuonna 1998 yhteys SOHOon menetettiin, mutta se onnistuttiin palauttamaan toimintaan muutaman kuukauden tiiviin pelastustyön jälkeen. Lisäksi aluksen asennonsäätöön tarkoitettuja gyroskooppeja on mennyt epäkuntoon, mutta näistä ongelmista huolimatta insinöörit ovat onnistuneen pitämään SOHOn toiminnassa ja kaikki tiedeinstrumentit kunnossa.

Suomi ja SOHO

Myös Suomella on ollut sormensa pelissä SOHOa rakennettaessa. Suomi on ollut vahvasti mukana kahden istrumentin rakentamisessa.

SWAN on Ilmatieteen laitoksen ja Ranskan Service d’Aéronomien yhteistyönä rakennettu instumentti (Solar Wind ANisotropies). Sillä tutkitaan Auringosta tulevan hiukkasvuon hitaita vaihteluita sekä tähtienvälisestä avaruudesta virtaavan kaasun ominaisuuksia. Esimerkiksi mitattaessa aurinkokunnan vetyatomeista heijastuvaa Auringon Lyman-alfa-säteilyä voidaan laskea vetykaasun tiheyksiä ja atomien nopeuksia tähtienvälisessä avaruudessa. SWAN on SOHOn ainoa instrumentti, joka ei tarkkaile pelkästään Aurinkoa, vaan se on suunnattu seuramaan koko taivasta aluksen ympärillä. Se katsoo kaikkialle muualle, paitsi Aurinkoon.

Koska SWANilla voidaan havaita kaikkia vetykaasua sisältäviä kohteita, sillä on havainnoitu myös komeettojen kaasukehiä. Näin on muun muassa löydetty uusia komeettoja sekä tutkittu Hyakutake ja Hale-Bopp -komeettojen kaasukehien ominaisuuksia. SWAN havaitsi myös erinomaisesti komeetta Linearin hajoamisen kesällä 2000.

Ilmatieteen laitoksen lisäksi laitteen rakentamiseen ovat Suomessa osallistuneet myös VTT ja Finnyards.

ERNE on toinen suomalaisvalmisteinen instrumentti. Se on Turun yliopistossa valmistettu suurenergisten hiukkasten mittauslaite (Energetic and Relativistic Nuclei and Electron Experiment), jonka tehtävänä on nimensä mukaisesti havaita näitä suurienergisiä hiukkasvirtoja. Näiden havaintojen pohjalta saadaan tietoa Auringon kaasukehän oloista. Lisäksi ERNE tulee suorittamaan ensimmäisen systemaattisen kartoituksen Auringon energisten hiukkasten (Solar Energetic Particle, SEP) isotooppien jakaumasta. Hiukkasvirrat eivät kuitenkaan ole jatkuvia ja muina aikoina ERNE havaitsee linnunradasta tulevaa jatkuvaa suurenergisten hiukkasten vuota, eli galaktista kosmista säteilyä.

Auringon pinnalla tapahtuvat räjähdykset eli flare-purkaukset voivat kiihdyttää elektroneja ja muita hiukkasia valtaviin nopeuksiin jolloin ne karkaavat planeettojen väliseen avaruuteen. Nämä hiukkaset ja sähköisesti varattujen hiukkasten pilvet voivat Maahan törmätessään aiheuttaa pahaa vauriota kiertoradalla oleviin satelliitteihin. Lisäksi ne ovat vaaraksi kiertoradalla työskenteleville astronauteille. Maan pinnalla olevat sähkölaitteetkaan eivät välttämättä ole turvassa tältä hiukkaspommitukselta ja sen aikaansaamilta ilmiöiltä; esimerkiksi lähes koko Kanada pimeni aurinkomyrsyn vuoksi vuonna 1990.

Auringon anatomiaa

Auringon energia syntyy sen keskellä alueella, joka ulottuu keskipisteestä noin 175000 kilometrin etäisyydelle, eli noin 25 %:iin Auringon säteestä. Aivan keskellä lämpötila on korkeimmillaan 15 miljoonaa astetta ja kaasun tiheys on jopa noin 150 g/cm3 (eli noin 10 kertaa lyijyn tiheys), kun taas ydinkerroksen reunalla lämpötila putoaa noin puoleen ja tiheys 20 grammaan kuutiosenttimetriä kohden. Tällaisessakin paineessa ja kuumuudessa atomien ytimet ja elektronit ovat irtaantuneet, jolloin kaasu ei ole enää oikeata kaasua, vaan atomiytimistä ja alkeishiukkasista koostuvaa mössöä. Mössössä tapahtuvat vedyn fuusioreaktiot tuottavat lämpöenergian lisäksi heliumia ja neutrinoja, jotka lähes massattomina hiukkasina tunkeutuvat koko Auringin läpi valon nopeudella, kun taas lämpö aloittaa pitkän matkansa kohti pintakerroksia.

Ydinalueen ympärillä on ns. radiatiivinen kerros, missä nimensä mukaisesti sisältä pursuava lämpöenergia siirtyy ylöspäin säteilynä. Kooltaan kerros ulottuu noin 70 %:n etäysyydelle Auringon keskipisteen ja pinnan välillä, ja sen ulkolaidalla lämpötila on enää noin 2 miljoonaa astetta. Kaasun paine on enää 0.2 g/cm3, eli alle veden tiheyden. Vaikka energiaa kuljettavat fotonit kulkevat eteenpäin valon nopeudella, kestää matka radiatiivisen kerroksen läpi noin miljoona vuotta, koska fotonit törmäilevät koko ajan eteen sattuviin atomeihin.

Konvektiivinen kerros on Auringon sisustan uloin kerros. Se alkaa noin 200 000 kilometrin syvyydeltä ja ulottuu aivan näkyvään pintaan saakka. Konvektiivisen kerroksen alaosissa lämpötila on "vain " 2 miljoonaa astetta, minkä vuoksi joidenkin raskaampien atomien elektronit pysyvät kiinni atomeissa. Siksi kaasu ei ole niin läpinäkyvää kuin syvemmällä, joten lämpö vaikuttaa siihen kuin keittolevy kaurapuuroon: kuuma kaasu nousee ylöspäin ja kylmä laskeutuu alaspäin. Kaasun lämpötila pinnalla on enää noin 5700 astetta ja sen tiheys on laskenyt lähelle avaruuden tyhjyyttä - se on noin 10 000 kertaa hervempaa kuin ilma merenpinnan tasolla. Kaasun kiehuminen näkyy selvästi kaukoputkella pinnan pieninä rakeina, granuloina.

Auringon eräs mielenkiintoisimmista alueista sijaitsee radiatiivisen ja konvektiivisen kerroksen välissä. Se on hyvin ohut välialue, missä kaasun virtaukset muuttuvat nopeasti ja missä kaasun kemiallisessa koostumuksessa tapahtuu yllättäviä muutoksia. Kaiken lisäksi näyttää siltä, että Auringon magneettikenttä syntyy tässä kerroksessa.

Kun Aurinkoa katsotaan kaukoputkella, näkyy kuvassa fotosfääri. Se on uloin Auringon näkyvä osa, sillä sen jälkeen kaasu muuttuu niin läpinäkyväksi cromosfääriksi. Fotosfääri on vain noin 100 km paksu kerros, jonka huomiotaherättävin asia ovat auringonpilkut. Pilkut ovat selvästi muuta pintaa tummempia kohtia, jotka esiintyvät normaalisti pareittain; pienet pilkut ja suuret pilkkuryhmät koostuvat yleensä kahdesta selvästi toisistaan erottuvasta osasta, koska pilkut ovat itse asiassa konkreettisia osoituksia Auringon magneettisuudesta.

Pilkkujen kohdalla magneettiset voimaviivat pulpahtavat pinnan päälipuolelle, jolloin pilkut näyttävät voimaviivojen ulostulo- ja sisäänmenokohdat. Kun Aurinkoa katsotaan näkyvän valon sijasta ionisoituneen vedyn aallonpituudella, saadaan näkyviin myös kromosfäärissä magneettikentän mukaan liikkuva kaasu; kuuma kaasu muodostaa upeita kaaria Auringon pinnalle magneettikentän pulpahduksien kohdissa, ja kun kaari kasvaa niin suureksi, että se ei pysy enää yhdessä, tapahtuu aurinkopurkaus. Kun magneettiset voimaviivat repeävät irti toisistaan ja jäävät avoimesti avaruuteen, virtaa kaasu niitä pitkin ulos Auringosta.

Näiden protuberanssien lisäksi Auringosta virtaa koko ajan ulospäin tasainen hiukkasvirta. Auringolla ei ole lainkaan kiinteää pintaa, vaan se vain ohenee ylöspäin mentäessä, ja tuo hiukkasvirta, aurinkotuuli, on oikeastaan Auringon äärimmäinen ulottuvuus. Tuuli puhaltaa hyvin voimakkaasti, sillä vielä Maan etäisyydellä hiukkasvirta pakenee ulospäin useiden satojen kilometrien sekuntinopeudella. Koska Aurinko pyörii koko ajan, on aurinkotuulikin kiertynyt spiraaliksi Auringon ympärille.

Auringonpimennysten aikaan aurinkotuulen voi myös nähdä selvästi, sillä kun Kuu peittää Auringon kiekon, paljastuu Aurinkoa ympäröivä kuuma kaasu hienosti. Tosin tämä Korona ei ole suoranaisesti aurinkotuulta, vaan se on uloin Auringon osista, joka muuttuu ja sekoittuu ulko-osissaan aurinkotuuleksi. Korona on varsin omituinen alue, koska siinä oleva kaasu on lämpötilaltaan noin miljoona-asteista. Se on siis kuumempaa kuin Auringon pinta. Lisäksi se elää kiinnostavasti Auringon magneettisen olemuksen mukaan: aktiivisuuden maksimiaikoina Korona on suuri ja kirkas, kun taas minimin aikaan se on pieni ja heikko.