Zdjęcia najszybszego od dwóch dekad CME z... Orionem w tle, czyli PUNCH zaczyna z przytupem!

No to PUNCH przywalił z grubej rury! Kilka godzin temu NASA opublikowała pierwsze zobrazowania koronalnego wyrzutu masy (CME) z koronografów wyniesionych 3 miesiące temu w ramach projektu PUNCH (Polarimeter to Unify the Corona and Heliosphere). To, że ten moment nastąpi było pewne, ale szczególnie mnie cieszy, że nadszedł przy okazji najszybszego od blisko dwóch dekad CME skierowanego ku Ziemi, bo mowa o erupcji z długotrwałego rozbłysku klasy M8.2, która zapewniła nam ciężką burzę magnetyczną kategorii G4 na początku czerwca (opracowanie wkrótce na blogu). Jak zaczynać obserwacje CME w niespotykanej dotąd skali - to z przytupem! Co dokładnie zarejestrowano dzięki nowemu obrazowaniu korony i heliosfery, czym w ogóle jest projekt PUNCH, jak nowatorskie okażą się jego obserwacje na tle dotychczasowego postrzegania wyrzutów koronalnych i jakie nadzieje są z nim związane? Czekałem z tym wpisem wśród kilkunastu innych roboczych tekstów na odpowiednią okazję i dziś właśnie się ona nadarzyła.

Zdjęcia koronalnego wyrzutu masy zaprezentowane na 246. spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Anchorage na Alasce, zostały wykonane przez trzy kamery szerokiego pola widzenia (WFI - Wide Field Imagers) PUNCH w dniu 31 maja 2025 roku i kilku mniejszych CME w pierwszych dniach czerwca. Instrumenty misji uchwyciły CME z większą szczegółowością, niż było to wcześniej możliwe, pokazując ich bardziej długotrwałą ewolucję w przestrzeni kosmicznej. Taki szeroki obraz jest niezbędny do lepszego zrozumienia i przewidywania pogody kosmicznej, która nas interesuje przede wszystkim z perspektywy generowania zorzy polarnej, ale która może dawać się we znaki także w innych dziedzinach życia - na przykład zakłócając komunikację, sygnały radiowe czy zagrażając satelitom.

Seria nowych obrazów przedstawia również Wenus, Jowisza, kilka konstelacji, w tym... cały gwiazdozbiór Oriona (!) oraz gromadę gwiazd Plejady. Księżyc również można zobaczyć w sekwencji obrazów. Fakt, że na zdjęciach PUNCH uchwycono całą konstelację Oriona, stanowi niezwykły dowód na wyjątkowo szerokie pole widzenia instrumentów WFI. W przeciwieństwie do tradycyjnych koronografów, które celowo zasłaniają jasne światło Słońca, aby skupić się wyłącznie na jego koronie, WFI na PUNCH są zoptymalizowane do obserwacji także rozproszonego światła z wiatru słonecznego, co pozwala im objąć znacznie większy obszar nieba, obejmujący zarówno Słońce, jak i odległe gwiazdy czy planety w tle. To szerokie pole widzenia jest kluczowe dla śledzenia CME na niemalże całej ich trasie przez Układ Słoneczny, a widoczność kompletnego gwiazdozbioru Oriona tylko to potwierdza. To jest niesamowite!

Wideo: kliknij by odtworzyć, zwiększ domyślną jakość na 720p. Od końca maja do początku czerwca 2025 roku, trzy WFI PUNCH uchwyciły koronalne wyrzuty masy (CME) przemieszczające się ze Słońca w Układ Słoneczny. CME można zobaczyć poruszające się we wszystkich kierunkach, w tym bezpośrednio w stronę kamery. Konstelacja Oriona jest widoczna w lewym dolnym rogu, Wenus widać po prawej stronie, a Jowisza na lewo od środka. Jasny obiekt, który na początku nagrania opuszcza kadr po lewej stronie, to Księżyc. Mała żółta kropka w centrum oznacza Słońce, a przerywana biała linia wokół niej reprezentuje pole widzenia LASCO C3, wcześniejszego koronografu, jednak nadal używanego do prognozowania pogody kosmicznej na pokładzie misji SOHO. Credit: NASA-ESA.

 

Jeden z obrazów CME typu full-halo po rozbłysku klasy M8.2 z 31 maja 2025 r. na zobrazowaniu WFI-PUNCH - po prawej zmniejszyłem gammę i dodałem opis drugiego bohatera kadru (większa rozdzielczość - otwiera się w nowej karcie). To w pewnym sensie historyczne zdjęcia - potężny, najszybszy od blisko dwudziestu lat CME skierowany ku Ziemi z całym najpiękniejszym zdaniem wielu gwiazdozbiorem Oriona w kadrze - dowód możliwości WFI-PUNCH w zakresie długotrwałego śledzenia wyrzutów koronalnych, z zaznaczoną perspektywą koronografu LASCO C3. Niesamowite. Credit: NASA/SwRI

Te niezwykłe obrazy zostały wykonane za pomocą czterech kamer PUNCH, które współpracują jako jeden większy instrument. Trzy kamery WFI, które obserwują słabą, najbardziej zewnętrzną część atmosfery Słońca i wiatr słoneczny, współpracują z kamerą wąskiego pola widzenia (NFI - Narrow Field Imager) - koronografem, który pozwala dostrzec szczegóły w atmosferze Słońca poprzez blokowanie jasnego światła samego Słońca. Nieruchomy obraz z NFI ujawnia misterną, szczegółową strukturę CME opuszczającego Słońce 3 czerwca. Cztery kamery są umieszczone na czterech satelitach PUNCH.

"Te pierwsze zdjęcia są zdumiewające, ale najlepsze dopiero nadejdzie" - powiedział Craig DeForest, główny badacz misji PUNCH z Działu Nauki i Eksploracji Układu Słonecznego Southwest Research Institute w Boulder, Kolorado. "Gdy statki kosmiczne znajdą się w swojej docelowej formacji, będziemy w stanie rutynowo śledzić pogodę kosmiczną w 3D w całym wewnętrznym Układzie Słonecznym".

I to jest właśnie ten docelowy przełom. Misja PUNCH, będąca innowacyjnym przedsięwzięciem NASA, rozpoczęła się oficjalnie w styczniu 2020 roku i jest częścią programu Small Explorer (SMEX), którego celem jest szybka realizacja mniejszych, ukierunkowanych misji badawczych. Składa się z czterech satelitów o wymiarach około 30 x 60,9 x 91 cm, które będą poruszać się po orbicie polarnej wokół Ziemi, działając jako jeden, "wirtualny instrument". Ich start nastąpił w marcu 2025 roku, a ich docelowe umieszczenie na orbicie nastąpi w kluczowych punktach, aby zapewnić globalny, nieprzerwany widok przestrzeni kosmicznej pomiędzy Słońcem a Ziemią.

W przeciwieństwie do misji takich jak SOHO, która z koronografem LASCO znajduje się w punkcie libracyjnym L1, około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi w kierunku Słońca, lub satelitów GOES - np. z od niedawna działającym koronografem CCOR-1 (Compact Coronagraph) na orbicie geostacjonarnej około 36 000 km nad równikiem, satelity PUNCH mają być docelowo umieszczone na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) na wysokościach około 500-600 kilometrów. Ta unikalna konfiguracja pozwoli im na dynamiczne obserwacje z różnych perspektyw w miarę ich ruchu po orbicie, w przeciwieństwie do statycznych pozycji L1 czy GEO. Kluczowe jest to, że każdy z czterech satelitów PUNCH będzie znajdował się na nieco innej płaszczyźnie orbitalnej, co umożliwi wspomnianą triangulację i uzyskanie widoku 3D na uwalniane CME. Każdy z czterech satelitów PUNCH jest wyposażony w różne typy instrumentów, które razem tworzą kompleksowy system obserwacyjny. Trzy z nich będą przenosić WFI, które będą obserwować szerokie pole widzenia korony słonecznej i wiatru słonecznego, natomiast czwarty satelita będzie wyposażony w NFI, zapewniający szczegółowe obrazy bliskiej korony. Ta konfiguracja jest kluczowa dla uzyskania pełnego obrazu ewoluujących zjawisk.

Podczas fazy uruchamiania misji, kamera NFI uchwyciła powyższy obraz nowiu Księżyca, gdy ten przechodził obok Słońca 27 kwietnia 2025 roku. Choć to nów Księżyca, tarcza naszego satelity wydaje się pełna, ponieważ jest oświetlona blaskiem ziemskim (konkretnie światłem słonecznym odbitym od Ziemi - na tej samej zasadzie widzimy dopełniony światłem popielatym obraz tarczy Księżyca w pobliżu nowiu, gdy znajduje się w fazie cienkiego sierpa). Ciemny okrąg u dołu to cień okultera kamery NFI, który zasłania Słońce by można rejestrować koronę. Okulter, który nie był jeszcze w pełni wyrównany ze Słońcem, jest tutaj otoczony wąskim, jasnym pierścieniem światła dyfrakcyjnego. Wokół tego znajduje się duży, mglisty okrąg rozproszonego światła odbijającego się od okultera (Księżyc znajduje się wewnątrz tego okręgu). Poza nim jest mały, ciemniejszy obszar nieba, który jest mniej dotknięty przez odblaski. NASA/SwRI

Przez cały swój minimum dwuletni planowany czas trwania (dłuższy, jeśli satelity pozostaną zdolne do pracy), PUNCH będzie prowadzić globalne, ciągłe, trójwymiarowe obserwacje zewnętrznej atmosfery Słońca i wewnętrznego Układu Słonecznego. Informacje te pomogą naukowcom zrozumieć, w jaki sposób materiał uwolniony z atmosfery naszej Gwiazdy Dziennej tworzy wiatr słoneczny. Misja dostarczy również nowych danych o tym, jak potencjalnie dynamiczne zdarzenia ze Słońca, takie jak rozbłyski słoneczne i CME, powstają i ewoluują. Te informacje mogą doprowadzić do powstawania dokładniejszych prognoz dotyczących aktywności geomagnetycznej.

W przeciwieństwie do poprzednich misji, PUNCH zaoferuje niespotykaną dotąd perspektywę. Koronografy takie jak LASCO na pokładzie SOHO oraz nowsze instrumenty jak wspominany już na blogu CCOR-1 na pokładzie GOES dostarczały wielu cennych danych o CME. LASCO, umieszczony w przestrzeni kosmicznej w 1995 roku, jest koronografem blokującym bezpośrednie światło słoneczne, co pozwala obserwować koronę zewnętrzną. Jego ograniczeniem jest jednak wąski kąt widzenia i zdolność do obserwacji jedynie w dwóch wymiarach. CCOR-1, będący częścią pakietu instrumentów pogody kosmicznej na pokładzie satelitów GOES, oferuje podobne, ale bardziej kompaktowe rozwiązania, również skupiające się na obrazowaniu dwuwymiarowym. Obie te misje dostarczają bezcenne dane, ale ich widoki są z natury ograniczone. Choć rejestrowane przez te urządzenia CME często nas zachwycają, są niestety trochę podobne do obserwowania pociągu jadącego w stronę obserwatora widzącego go tylko z boku - można zobaczyć jego masywność, ale nie ma się pełnego pojęcia o jego głębi i trójwymiarowej strukturze. PUNCH może to zmienić poprzez takie rozmieszczenie satelitów, które wspólnie tworzą trójwymiarową mozaikę obrazów.

Właśnie ta perspektywa 3D jest kluczową różnicą techniczną i w zobrazowaniach. LASCO i CCOR-1 (wkrótce też CCOR-2) są pojedynczymi instrumentami, które dostarczają dwuwymiarowych projekcji korony słonecznej i powstających CME. PUNCH, dzięki flocie czterech sond, będzie w stanie wykonywać jednoczesne obserwacje z różnych punktów widzenia. To umożliwi rekonstrukcję pełnej, trójwymiarowej struktury i trajektorii CME w przestrzeni. Ponadto, co już skrótowo zarysowałem we wstępie, koronografy PUNCH będą w stanie zobrazować szerszy zakres heliosfery, od bliskiej korony po wiatr słoneczny niemal w pobliżu Ziemi, co stanowi bezprecedensowe połączenie pól widzenia. 

Przykładowo, pole widzenia LASCO C2 rozciąga się od 2.2 do 6 promieni Słońca, natomiast LASCO C3 od 3.7 do 32 promieni Słońca. Dla porównania, koronograf CCOR-1 zazwyczaj obejmuje zakres od około 3 do 16 promieni Słońca. Koronografy WFI-PUNCH mają znacznie szersze pole widzenia, obejmujące obszar od 6 do 180 promieni Słońca (45 stopni od Słońca w każdym kierunku), podczas gdy NFI-PUNCH skupia się na bliskiej koronie, od 1.5 do 6 promieni Słońca. Oznacza to, że PUNCH będzie w stanie śledzić CME od ich początków w bliskiej koronie przez ich podróż przez dużą część wewnętrznego Układu Słonecznego, zapewniając bezprecedensowy ciąg obserwacji. Takie zintegrowane obserwacje, pokrywające tak ogromny zakres, są niemożliwe dla pojedynczego koronografu, nawet z rozszerzonym polem widzenia jak choćby w przypadku LASCO C3. Oczekuje się, że ta zdolność do śledzenia CME w 3D, od momentu ich powstania niemal do dotarcia w pobliże Ziemi, znacznie poprawi precyzję prognoz pogody kosmicznej. Może to pomóc osiągnąć poziom, na którym będziemy w stanie nie tylko z większą pewnością przewidzieć czy CME rzeczywiście może uderzyć w Ziemię, ale także z jaką siłą i pod jakim kątem.

Kamera wąskiego pola widzenia (NFI - Narrow Field Imager), zamontowana na jednej z czterech sond kosmicznych misji PUNCH, szczegółowo zobrazowała duży koronalny wyrzut masy (CME) z 3 czerwca 2025 roku. CME można zobaczyć jako unoszące się zawirowania w centrum obrazu, powyżej zasłoniętego Słońca. To wstępne zdjęcie zawiera sporo artefaktów wczesnego cyfrowego przetwarzania, ale już ujawnia zdolność kamery NFI do szczegółowego obrazowania zewnętrznej korony Słońca, które będzie się odbywało we współpracy z pozostałą trójką satelitów misji PUNCH. Credit: NASA/SwRI

Naukowcy mają ogromne oczekiwania wobec danych z PUNCH. Poza lepszym zrozumieniem CME, misja ma na celu rozwikłanie tajemnic, w jaki sposób wiatr słoneczny - czyli po prostu strumień energetycznie naładowanych cząstek stale emitowanych przez Słońce, jest przyspieszany do tak wysokich prędkości podczas erupcji i także po niej. Obecne modele są bardzo ograniczone w wyjaśnianiu tego procesu, a PUNCH, dzięki obserwacjom polaryzacji światła w koronie, dostarczy unikalnych informacji o gęstości plazmy, elektronów i strukturze pól magnetycznych, co jest kluczowe dla rozwiązania tej zagadki. Dodatkowo misja ma pomóc w zrozumieniu, jak korona słoneczna jest ogrzewana do milionów stopni Celsjusza, co jest zjawiskiem sprzecznym z intuicją, biorąc pod uwagę, że powierzchnia Słońca jest znacznie chłodniejsza. Według założeń misji zakłada się, że trójwymiarowe obserwacje przepływu materii i energii w wewnętrznej heliosferze pozwolą zidentyfikować obszary, w których zachodzą kluczowe procesy przyspieszania i ogrzewania. Trudno powiedzieć czy PUNCH dostarczać będzie obrazy CME i wiatru słonecznego niemal w czasie rzeczywistym, co jest kluczowe dla operatorów satelitów i misji kosmicznych. Oczekiwania ku temu oczywiście są duże, możliwe jednak, że nie doczekamy się aż tak częstych aktualizacji danych jeśli NASA zdecyduje się udostępnić narzędzie na podobieństwo NOAA/SWPC do śledzenia najnowszych zobrazowań CME, ponieważ w grę wchodzić tu będzie przetworzenie znacznie większej ilości danych z nie jednego, ale czterech satelitów.

Przełom, ale nie kompletny

Mimo pewnych przełomowych możliwości PUNCH w wizualizacji i śledzeniu CME w trójwymiarze, istnieją pewne aspekty tych zjawisk, których nawet tego typu misja nie będzie w stanie bezpośrednio zmierzyć ani przewidzieć. PUNCH bowiem jest przede wszystkim koronografem optycznym, co oznacza, że obserwuje rozproszone światło widzialne z korony i wiatru słonecznego. Chociaż pozwoli to na precyzyjne określenie kształtu, prędkości i trajektorii CME, nadal nie dostarczy to nam bezpośrednich informacji o wewnętrznej strukturze pola magnetycznego przenoszonego przez CME. Natężenie (IMF/Bt) i orientacja pola magnetycznego w CME są absolutnie kluczowe dla przewidywania skali potencjalnej siły burzy magnetycznej na Ziemi i potencjału nadciągającego wiatru słonecznego do jego wpływu na aktywność geomagnetyczną.

Wiemy, że jeśli pole magnetyczne CME jest zorientowane przeciwnie do ziemskiego pola magnetycznego (południowa składowa Bz), może to prowadzić do silnej rekoneksji magnetycznej między wiatrem/CME a polem magnetycznym Ziemi i znacznie intensywniejszych burz. PUNCH nie będzie miał na pokładzie magnetometrów, które mogłyby mierzyć te parametry bezpośrednio. Wiedza o składzie CME, np. proporcjach protonów, elektronów, ciężkich jonów, również nie będzie dostępna bezpośrednio z danych PUNCH. Te parametry, choć mniej krytyczne dla prognozowania siły burzy niż siła i orientacja pola magnetycznego, dostarczają cennych informacji o pochodzeniu CME i procesach zachodzących na Słońcu.

PUNCH nie będzie także w stanie przewidzieć wszystkich aspektów kosmicznej pogody związanych z rozbłyskami słonecznymi. Chociaż CME często towarzyszą rozbłyskom, są to zupełnie odrębne zjawiska. Nie wszystkim rozbłyskom towarzyszą CME i odwrotnie - nie wszystkie CME są efektem aktywności rozbłyskowej. Rozbłyski emitują promieniowanie rentgenowskie i ultrafioletowe, czy przyspieszone cząstki energetyczne (SEP). PUNCH skupiać się będzie na obserwacji CME w świetle widzialnym - żaden z czterech satelitów nie jest wyposażony w instrumenty do monitorowania promieniowania rentgenowskiego czy wysokoenergetycznych cząstek. W związku z tym, do pełnej oceny zagrożeń związanych z pogodą kosmiczną, dane z PUNCH będą musiały być nadal uzupełniane informacjami z innych misji, takich jak GOES, czy misji badających pola magnetyczne i wiatr słoneczny, jak ACE, DSCOVR w punkcie Lagrange'a L1.

Jednakże, dzięki PUNCH, naukowcy będą w stanie znacznie precyzyjniej korelować obserwacje z innych instrumentów z wizualizacją CME, co stanowi ogromny krok naprzód w złożonym obrazowaniu i prognozowaniu zjawisk słonecznych. Misja PUNCH ma zatem wypełnić krytyczną lukę w naszej zdolności do śledzenia i prognozowania wydarzeń w heliosferze, zapewniając bezprecedensowy trójwymiarowy widok dynamiki Słońca i jego wpływu na przestrzeń kosmiczną.

Uwolnienie satelitów PUNCH po starcie z bazy Vandenberg 11 marca 2025 r. Credi: NASA

Southwest Research Institute, z siedzibą w San Antonio w Teksasie, kieruje misją PUNCH i obsługuje cztery statki kosmiczne ze swoich placówek w Boulder w Kolorado. Misja jest zarządzana przez Biuro Programu Eksploratorów w NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt, Maryland, dla Dyrekcji Misji Naukowych w Kwaterze Głównej NASA w Waszyngtonie.

Trzymajmy kciuki za powodzenie misji, wiele wspaniałych wyrzutów koronalnych jakie dzięki zobrazowaniom PUNCH uda się zarejestrować, pomyślność udoskonalenia prognoz aktywności geomagnetycznej dzięki tak długotrwałej obserwacji CME nieporównywalnej z polem widzenia jakiegokolwiek pojedynczego dotąd koronografu oraz zdolności tych satelitów do działania dłuższego, niż planowany tylko dwuletni czas operacyjny. Koronografy LASCO działają już o rząd wielkości dłużej, niż planowano - miejmy nadzieję, że satelity PUNCH zaskoczą równie pozytywnie, a jeśli nawet nie - to, że przez dwuletni czas misji dokonają na tyle dużo obserwacji, by jakość prognozowania pogody kosmicznej rzeczywiście znacząco wzrosła.

Autorski komentarz do bieżącej aktywności słonecznej - podstrona Solar Update

Warunki aktywności słonecznej i geomagnetycznej wraz z objaśnieniami nt. interpretacji danych - podstrona Pogoda kosmiczna

  f    t    yt   Bądź na bieżąco z tekstami, zapowiedziami, alarmami zorzowymi i wiele więcej - dołącz do stałych czytelników bloga na Facebooku, obserwuj blog na Twitterze, subskrybuj materiały na kanale YouTube lub zapisz się do Newslettera.

Oprac. własne w oparciu o materiały NASA (1), (2), (3), (4), SWRI.