Pols d'estels

Aquesta matinada a les 5:03 h. s’ha enlairat des de cap Canaveral a Florida (EEUU) la sonda Solar Orbiter, una missió dirigida per l’Agència Espacial Europea (ESA), amb forta participació de la NASA, per abordar la qüestió central sobre com el Sol crea i controla l’heliosfera, la gran regió de l’espai, en forma de bambolla que envolta el Sol i creada per les partícules energètiques que aquest emet.

Solar Orbiter podrà estudiar detalladament el Sol gràcies a la combinació d’instruments científics amb que va equipat i a l’òrbita que recorrerà al seu voltant. La sonda s’hi acostarà fins a una distància de 42 milions de quilòmetres, més prop que el planeta Mercuri, fet que implica que les parts de Solar Orbiter que miren al Sol hauran de suportar temperatures de més de 500 ºC, mentre que les parts a l’ombra estaran al voltant de -180 ºC. Al llarg de la missió, l’òrbita de la sonda anirà augmentant d’inclinació respecte a l’eclíptica fins a uns 30º, la qual cosa permetrà obtenir per primer cop imatges d’alta resolució dels pols solars.

Un equip de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB-IEEC) i un altre del GACE/LPI (Grup d’Astronomia i Ciències de l’Espai, Laboratori de Processat d’Imatges), del Departament d’Enginyeria Electrònica (Escola Tècnica Superior d’Enginyeria) i del Departament d’Astronomia i Astrofísica (Facultat de Física) de la Universitat de València han treballat en el desenvolupament i fabricació de l’instrument PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager) que va a bord de la sonda Solar Orbiter.

El PHI (Polarimetric and Helioseismic Imager) proporcionarà mesures d’alta resolució del camp magnètic de la fotosfera solar i mapes de la seua brillantor en l’espectre visible. També produirà mapes de velocitat del moviment del material de la fotosfera que permetrà realitzar recerques heliosísmiques de l’interior del Sol, en concret de la zona convectiva, en la base del qual es crea i reforça el camp magnètic i a través del qual puja a la “superficie” o fotosfera.

L’ICCUB s’ha responsabilitzat de desenvolupar i implementar un sistema d’estabilització d’imatges (ISS) que permetrà compensar els moviments de la sonda per poder obtenir imatges de la qualitat requerida. «Solar Orbiter és la missió solar més completa des del punt de vista instrumental», explica Josep M. Gómez Cama, investigador de l’ICCUB i membre del Departament d’Enginyeria Electrònica i Biomèdica de la UB. Concretament, la sonda disposa de deu instruments que pesen en total 209 quilograms. «La limitació de pes també ha estat un repte a l’hora de dissenyar l’instrument PHI, que pesa uns 30 kg», destaca Gómez Cama. Quatre dels instruments, que permeten la detecció del vent solar (plasma i camp magnètic), radiació i partícules emeses, funcionen in situ, mentre que els altres sis ho fan de manera remota i permeten obtenir imatges en diferents longituds d’ona i fer espectroscòpia de la fotosfera i corona solars.

Pas endavant per a la meteorologia espacial

D’altra banda, els investigadors del Grup de Física Heliosfèrica i Meteorologia Espacial (HPSWG) de la UB han proporcionat suport científic a l’equip del detector de partícules energètiques (EPD) construït per un equip de la Universidad de Alcalá. Els membres de l’HPSWG, experts en modelatge i anàlisi de dades, han desenvolupat models per predir l’entorn de radiació de partícules amb què es trobarà Solar Orbiter, i estan desenvolupant eines per facilitar l’anàlisi de les mesures de partícules que recollirà.

En les seues diverses aproximacions al Sol, la sonda Solar Orbiter orbitarà a una velocitat semblant a la solar la qual cosa permetrà fer el seguiment continuat d’una zona activa del Sol durant un llarg temps i planificar campanyes específiques de manera remota. Segons Àngels Aran, investigadora del grup HPSWG, «els resultats obtinguts per Solar Orbiter permetran entendre la física que connecta l’estrella amb el medi interplanetari i ajustar així els models actuals de meteorologia espacial». «A més —afegeix la investigadora—, la combinació d’observacions de Solar Orbiter amb les dades obtingudes des d’altres sondes situades a l’espai interplanetari, com a l’entorn terrestre, ens donarà una visió en estèreo del mateix esdeveniment». 

El Sol és una estrella de massa mitjana en un estadi avançat i estable de la seua evolució. Tanmateix, experimenta erupcions periòdiques a curt termini i de difícil predicció conegudes com a activitat solar. El domini del Sol s’estén més enllà de l’atmosfera solar, mitjançant el vent solar, donant lloc a l’heliosfera, que inclou l’espai interplanetari i l’entorn planetari més enllà de Plutó. Així que comprendre l’acoblament del Sol i l’heliosfera és primordial per entendre el funcionament del nostre sistema solar. Les diferents condicions del vent solar i de l’activitat solar són els principals motors de la meteorologia espacial. La meteorologia espacial fa referència a la resposta de l’entorn espacial a les tempestes solars, que poden tenir un impacte significatiu en la societat actual. Per exemple, l’activitat solar, com ara erupcions solars i ejeccions de massa coronal, poden provocar ràfegues de partícules energètiques que causen danys en els satèl·lits, afecten els sistemes de navegació, o perjudiquen els astronautes en la futura exploració de la Lluna i Mart.

Aquests esdeveniments de partícules energètiques solars, principalment electrons, protons i ions més pesants fins a energies d’uns quants gigaelectronvolts, imposen restriccions a les activitats humanes a l’espai. Són difícils de predir pel coneixement incomplet dels processos físics bàsics implicats i la manca d’observacions a tota l’heliosfera.

Un dels propòsits de la missió de Solar Orbiter és explorar els fenòmens que passen en la zona dels pols solars. Com que la Terra i les sondes que s’hi llencen es troben en el pla de l’eclíptica, que correspon aproximadament a la zona equatorial solar, cal donar una empenta a la sonda per fer-la “pujar” l’òrbita. Això s’aconsegueix agafant energia dels planetes a través de les assistències gravitatòries. Així, Solar Orbiter farà una assistència gravitatòria al volant de la Terra i nombroses passos al voltant de Venus al llarg de la seua missió per ajustar la seua òrbita, apropant-la al Sol i per fer-la fora del pla de la eclíptica per observar el Sol des d’inclinacions cada vegada més altes. D’aquesta manera, la nau espacial podrà prendre les primeres imatges de les regions polars del Sol, unes dades mol importants per comprendre el funcionament del Sol.

La combinació dels diferents instruments a bord de la nau espacial i la seua òrbita proporcionarà nova informació per comprendre les característiques solars i la seua connexió amb l’heliosfera i, al seu torn, ajudarà a comprendre la generació de tempestes solars.

Per als amants de les xarxes socials, s’ha creat l’usuari twitter @ESASolarOrbiter i l’etiqueta #WeAreAllSolarOrbiters per seguir al moment la missió.

Més informació sobre la missió al Solar Orbiter Publication Archive

També existeix un llibret Facing the Sun on s’explica la missió per a periodistes i public en general, en el idiomes de treball de la ESA. Ací està la versió en castellà.

Ací està també penjat aquest Mirando al Sol que explica la missió Solar Orbiter.

Vicent Domingo Codoñer, gran senyor de la física solar i de l’astrofísica valenciana i europea ens ha deixat per sempre. Actualment jubilat, era professor honorari al Departament d’Astronomia de la Universitat de València i membre del Grup d’Astronomia i Ciències de l’Espai, Laboratori de Processat d’Imatges (GACE/LPI).

Vicent es va formar en la Universitat de València i formava part de la primera generació de físics valencians que van eixir al món per aprendre primer i aportar molt de la seua experiència i saviesa. Vicent tenia una extensa experiència investigadora en l’àmbit de la física nuclear i de partícules, en física solar i en projectes espacials.

Va treballar en la primera part de la seua extensa carrera investigadora a l’Institut de Física CospuscularI/CSIC-Universitat de València, al Centre d’Études Nucléaires (França), al CERN (Suïssa), a la Universidad de La Paz (Bolivia), al MIT (EUA) i a la University of Colorado (EUA).

La segona part de la seua vida investigadora començà el 1970 quan entrà a formar part de la Agència Espacial Europea (ESA). Allí  va ser el científic responsable del projecte de la missió d’estudi del Sol SOHO, de l’Agència Espacial Europea, durant el desenvolupament fins al seu llançament l’any 1995. Una vegada a l’espai entre 1995 i 1998 va ser director del seu funcionament des del Goddard Space Flight Center de la NASA, a Maryland (EUA).  La missió  SOHO, amb una durada nominal de dos anys, assoleix quasi  25 anys de funcionament i és, actualment, el satèl·lit d’observació solar amb més edat de la història.

L’any 2000, ja jubilat de la ESA,  Vicente Domingo va tornar a la Universitat de València per a formar un grup de física solar i de desenvolupament d’instrumentació espacial per a missions solars, dins del Grup d’Astronomia i Ciències de l’Espai (GACE). Des de llavors i fins a la seua  mort ha participat en el desenvolupament de les mission estratosfèriques Sunrise i de l’instrument SO/PHI per la nova missió solar Solar Orbiter que serà llençada cap el Sol, si tot funciona correctament, la setmana que ve des de Cap Canaveral.

Gràcies Vicent pel que ens has donat, tant científicament com personalment.

La contribució a la investigació espacial dels científics del País Valencià no és tan minsa com algú podria pensar. Aquest podria dir que l’astronàutica valenciana no existeix i que encara ha de desenvolupar-se des del no res. O que només els gran centres espanyols com l’INTA, el IAC o el IAA són els productors d’instrumentació espacial a l’estat espanyol. Però l’assistència a la xerrada Astronàutica valenciana, dins de les activitats de l’exposició Viure a l’espai… no és tan diferent, actualment al Centre Octubre a València, m’ha fet redescobrir aquesta part de la ciència valenciana que existeix de debò però que no és massa visible.

Ja coneixia, per suposat, l’existència de físics i d’enginyers valencians eficaços en aquestes tasques però la xerrada d’Andrés Russu m’ho va posar tot en context. L’origen, els centres implicats a la Universitat de València, els encerts i entrebancs, i sobre tot la trajectòria d’un petit però potent equip que participa actualment en diversos projectes de la Agència Espacial Europea (ESA).
I veure l’escut de la Universitat on treballe i saber que viatja per l’espai protegint el detector més estimat és emocionant…

Segueix…

Andrés Russu, enginyer electrònic del Grup d’Astronomia i Ciències de l’Espai (GACE) i del Laboratori de Processat d’Imatges (LPI) de la Universitat de València va fer a la conferència Astronàutica valenciana una explicació històrica de tots els projectes en que investigadors valencians han participat en la construcció de ginys espacials.

Tot començà amb el detector de raig X i gamma, LEGRI, llençat com a càrrega útil dins del que va ser el primer satèl·lit espanyol, el Minisat01. Aquest petit satèl·lit va estar en òrbita des del 1997 fins al 2004.

L’objectiu de LEGRI era demostrar la viabilitat de detectors d’estat sòlid de HgI2 i CdZnTe per a astronomia espacial. Legri tenia capacitat de formar imatges i espectres de les fonts de raig X i gamma dins del rang de 10-100 keV.

El problema tècnic fonamental amb aquestes radiacions tan energètiques és que no es poden focalitzar mitjançant espills i lents. Senzillament la radiació les travessa sense problemes. Els especialistes valencians van desenvolupar un sistema de màscares codificades que posades davant del detector difracten la radiació incident i formen un patró de difracció. Després mitjançant diversos algorismes informàtics es reconstrueix la imatge de la font en l’ordinador. El principi és el mateix de com es formen les imatges en la càmera fosca, on un senzill forat en una caixa es capaç de formar una imatge exterior a l’interior de la caixa.

Legri va servir per a entrenar-se en la construcció de detectors més sofisticats per a la participació en missions de l’ESA. Així va sorgir la missió Integral per a la detecció de raigs X i gamma més energètics, de 15 KeV a 10 MeV. La participació de la gent de la Universitat de València va ser fonamental en aquesta missió. El sistema de multiplexació espacial amb les màscares codificades va ser l’aportació del GACE. Aquesta estava feta de tungsté de nombre atòmic 74 i densitat 19,3 g/cm³. Havia d’absorbir la radiació de les zones de la màscara no permeses.

Integral es llençà el 17 d’octubre de 2002 des de la base espacial de Baikonur al Kazajistan. Encara que tenia una vida prevista de 2 anys encara encercla ara la Terra més enllà dels cinturons de Van Allen.

Integral ha detectat explosions de raigs gamma amb una resolució no aconseguida fins ara i ha resolt l’emissió difusa d’aquesta radiació en fonts puntuals.

La participació dels científics valencians en la missió Mega també ha estat decisiva. Plantejada per estudiar els raigs gamma en els rang energètics de 0,4 a 50 MeV constava d’un satèl·lit i d’un globus estrastosfèric. Volant a una altura de 40 km entre Trapani ( Sicília) i Arenosillo (Huelva) havia de recollir les dades des d’aquesta part de la Mediterrània Occidental. Tanmateix problemes de finançament per part de l’Agencia Espacial Italiana han ajornat sine die el projecte.

Tanmateix la missió que més ressò mediàtic va causar va ser la missió UTBI (Under The Background Influence).

L’espai no és apte per a la vida a causa de la manca d’aigua o l’oxigen però també per la presència d’una energia ionitzant (fotons energètics: raigs X i gamma) i partícules (protons, electrons, etc…) que arriben de tots els punts de l’espai a causa d’explosions en estrelles i altres fenòmens violents. Els astronautes en general, però sobretot els que viuen llargues temporades a l’Estació Espacial Internacional (ISS), reben certa quantitat de radiació. La possibilitat de mesurar la radiació de fons en una missió espacial pot resultar útil para el disseny de futures missions.

UTBI va ser el nom d’un projecte d’uns estudiants de la Universitat de València, entre els quals es trobava Andrés Russu, que aquests van presentar a un concurs de l’Agència Espacial Europea i que va ser seleccionat per ser instal·lat a la ISS.

Va ser pujat a bord de l’Estació Espacial durant la missió alemanya Astrolab el novembre 2006. L’astronauta Thomas Reiter va ser l’encarregat de l’activació i control de la UTBI durant els 14 dies de la missió. I allà dalt continua, ara desactivat en el segment rus de la nau, junt a la porta d’evacuació de la ISS.

El detector d’estat sòlid de CdZnTe que porta es troba dins d’una caixa amb la seua pròpia electrònica i les dades es graven en senzilles memòries flash SD de càmera fotogràfica. L’astronauta només ha de tornar les memòries a la Terra per a l’estudi de les dades.

I si us fixeu en les fotos veureu que l’escut de la Universitat de València és ben visible!.

No voldria ser exhaustiu, ni cansar al personal, però els científics valencians participen també en altres missions com la ASIM-MXGS per estudiar les emissions de raigs gamma de l’alta atmosfera terrestre causades per les tempestes. Aquestes mesures “cap  a baix” no han estat mai ben vistes per les potències nuclears donat que podrien ser usades per veure els seus secrets més íntims…. Aquesta futura missió de la ESA està en fase de projecte i serà llençada cap al 2011.

El espectrofotopolarímetre IMAX desenvolupat, entre altres, pel grup de Física Solar del GACE a la Universitat de València serà part de la càrrega útil de la missió Sunrise, que porta un telescopi d’1 metre com a col·lector de llum. Un globus científic serà llençat des de la base de Kiruna, Suècia, amb els instruments i durant unes quantes setmanes el vent el portarà a donar la volta al món. Donat que durant un temps vaig tindre relació amb aquest projecte ja en parlaré més detalladament més endavant.

Sunrise i concretament IMAX podrien considerar-se les missions de prova per a la pròxima missió al Sol de la ESA, Solar Orbiter, que serà llançada cap al 2015 i observarà la nostra estrella de més a prop que Mercuri.

Foto de portada:  Thomas Reiter activant l’UTBI a bord de l’ISS.

El Sol està molt tranquil des de fa un any. Trobant-nos ara mateix al mig del mínim solar les taques no estan eixint i l’activitat magnètica està ben disminuïda.La feina dels físics solars continua, però. El Sol tranquil encara amaga molts secrets que el treball constant i pacient dels científics està traient a la llum.

L’energia que es crea al centre del Sol per reaccions nuclears es transporta cap a la superfície en forma de radiació. Però en les últimes capes el transport d’energia és més efectiu si és el gas calent qui puja en forma d’immenses bombolles que dipositen el seu calor en la fotosfera solar, capa de l’atmosfera solar d’on surt tota la llum visible. És la convecció solar i aquestes bombolles s’anomenen cel·les de convecció o granulació. Aquests grànuls, d’una gràndaria d’uns 1000 km, mostren una zona central brillant per on puja el gas calent.

Un cop refredat aquest gas cau cap a l’interior solar per les vores del grànul, d’un color fosc, talment com s’esdevé en una cassola d’aigua bullint.

L’equip de Física Solar del Grup Astrofísica i Ciències de l’Espai (GACE) de la Universitat de València, juntament amb científics de l’Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), acaben d’observar en detall la forma en que el gas calent de la granulació, una vegada fred, cau a les profunditats solars.

Segueix …

La convecció és un fenomen turbulent que ocórre en molts llocs a la natura. L’aire calent de l’atmosfera terrestre i tots els processos d’ebullició es comporten d’aquesta manera.

La convecció solar i la granulació són importants ja que a més de ser el mitjà en que l’energia del centre del Sol arriba a la superfíce és també els que modelen el comportament del camp magnètic superficial. Aquest, arrossegat pel moviment del gas,  es concentra en les zones intergranulars formant petits tubs de flux magnètic (100-200 km) que en el cas que s’hi s’agreguen altres tubs magnètics poden ser el germen de les taques solars.

Aquestes cel·les de convecció han estat simulades teòricament de manera acurada i precisa utilitzant superordinadors per alguns investigadors i els resultats preveuen que el gas fred ha de baixar a capes més baixes formant una espiral (veure foto).

Ara dos investigadors del GACEde la Universitat de València, Vicent Domingo e Iballa Cabello, i tres de l’IAC (J. A. Bonet, I.  Márquez, J. Sánchez Almeida), han aconseguit veure-ho amb imatges obtingudes durant una campanya d’observació al Telescopio Solar Sueco, ubicat en l’Observatorio del Roque de los Muchachos de La Palma juntament amb una observació simultània amb el telescopi solar espacial japonés Hinode.

Vicent Domingo, astrofísic valencià de 73 anys que ha treballat pràcticament tota la vida a l’Agència Espacial Europea i la NASA, i que va ser responsable científic de la sonda solar europeu-americà SOHO,  dirigeix la tesi doctoral d’Iballa Cabello, canària d’origen. Els dos pertanyen a un petit grup valencià d’estudi de la fotosfera, la superficie del Sol.

En les imatges s’aprecia, d’acord amb la investigadora Inés Márquez, i detalla la nota de premsa de l’IAC “com el material sembla seguir una espiral logarítmica abans de desapareixer, és a dir, una espiral amb la forma de la closca de caragol. Durant un temps pensarem que eren espirals àuries, el que li donava un inquietant toc esotèric al descobriment. No és així i sembla que hi ha espirals de tots els tipus”.

S’ha confirmat doncs un fenomen que havia d’existir segons els models teòrics. La matemàtica i la física teòrica s’han avançat a l’observació.

El diari Levante se’n va fer ressò i  va aparéixer en portada el dissabte passat.

Enhorabona als companys i amics….

Foto:
La imatge és una imatge en alta resolució del Telescopi Òptic Solar de la sonda japonesa Hinode. Aquesta és el primer instrument situat a l’espai que mesura la intensitat i la direcció del camp magnètic solar en la baixa atmosfera del Sol, anomenada fotosfera.  Aquesta imatge mostra una part molt ampliada de la fotosfera solar. L’energia de sota la superfície es transportada per convecció formant cel·les de convecció o granulació que es poden veure en aquesta imatge. Les zones més clares revelen on estan pujant el gas mentre que les zones més fosques intergranulars denoten on els gasos més freds  estan caient cap a l’interior. Web.

Crèdit imatge: Hinode JAXA/NASA/PPARC

Remolins al Sol
Video (fitxer adjunt)

Investigadors de la Universitat de València i de l’Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) han detectat en el Sol remolins que tenen la grandària dels huracans terrestres i que es produeixen per mateix mecanisme que fa girar l’aigua en una banyera quan s’acosta a l’engolidor.

Autor: IAC