De ruimtesonde Solar Orbiter is halfweg aarde en zon. De Belgische Extreme Ultraviolet Imager (EUI) ruimtetelescoop werkt. Dankzij een technologisch meesterwerk uit het Centre Spatial de Liège (CSL-ULG) kunnen twee Leuvense alumni nu bij de afdeling plasma-astrofysica van de KU Leuven en de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB) hun zonnefysica toepassen. De beelden zijn prachtig, maar voorlopig kijkt men enkel of alles werkt. Het doel is het ruimteweer voorspellen, de zon beter begrijpen en schade aan ruimtetuigen en elektronica op aarde helpen voorkomen.

Close-up foto’s van de zon

Op 10 februari 2020 lanceerde het Europese Ruimtevaartagentschap ESA samen met de Amerikaanse NASA vanop Cape Canaveral de Solar Orbiter. Sedert medio juni zat een eerste dichtste nadering (perihelion) erop. De ‘cruise phase’ duurt nog tot eind volgend jaar. Dan begint de wetenschappelijke fase. ‘Aangezien Solar Orbiter in een baan om de zon zit, gaat hij/zij herhaaldelijk naar de zon toe en weer weg’, aldus David Berghmans van de KSB.

Nooit tevoren zag men beelden van zo dicht bij de zon. De bewering dat nooit een satelliet zo dicht bij de zon kwam, zoals de VRT beweerde, is uiteraard onzin. Parker Solar Probe en andere zonnesondes kwamen veel dichter. De beelden waren echter nog nooit zo dichtbij en zo scherp.

Het gevaarte weegt 1800 kg, heeft een vleugelwijdte van 18 meter en vloog met 10 wetenschappelijke instrumenten naar de zon. De principal investigator (PI) voor de Belgische ruimtetelescoop Pierre Rochus van de universiteit van Luik (tot 1/1/2020) en zijn opvolger Berghmans rekenen op doorbraken qua ruimteweer.

Grote Vlaamse en Waalse bijdrage

De drie beeldsensoren van de telescoop zijn afkomstig van CMOSIS uit Antwerpen (in 2015 door het Oostenrijke ams overgenomen). Het Waalse Deltatec uit Ans bouwde de camera. De EUI bestaat uit 3 telescopen: FSI heeft 1 spiegel, HRIEUV en HRILYA hebben elk 2 spiegels De laatste twee zijn dus spiegeltelescopen. Maar dan om extreme UV-golven te fotograferen. Dit zijn golven onzichtbaar van op aarde (bijna X-stralen). ‘Deze UV-golven zijn ambetant, omdat het foton van extreem ultraviolet moleculen kan breken in twee zuurstofatomen. Die kracht is zelfs dubbel zo groot bij een zonnestorm’, vertelde Rochus. Momenteel is de commissioning nog bezig en test men alle functies uitvoerig.

In totaal levert dit project werk op voor een paar dozijn Belgische wetenschappers, onder wie zonnefysicus Berghmans. Net als co-investigator (COI) Stefaan Poedts (KU Leuven) en Anke De Groof (instrument operations scientist in het Spaanse Villafranca bij ESA) promoveerde hij onder de wereldberoemde Marcel Goossens van het Centre for mathematical Plasma-Astrophysics aan de KU Leuven.

Middenklassertje voor fundamenteel onderzoek

Solar Orbiter is een door de ESA geleide missie. Twaalf lidstaten van de ESA nemen deel. Naast België zijn dit het Verenigd Koninkrijk, Duitsland, Frankrijk, Italië, Spanje, Tsjechië, Zwitserland, Polen, Zweden, Oostenrijk en Noorwegen. Dat de Britten heel fors meebetalen, heeft te maken met de hoofdaannemer. Dat is namelijk Airbus Defence and Space, uit het Engelse Stevenage. Die satellietfabriek is al meer dan zestig jaar één van de modernste qua meteorologie, telecommunicatie en spionage. Solar Orbiter is de eerste ‘medium-class mission’ uit het Cosmic Vision 2015-25 programma. Een middelgroot project dus van € 1,5 miljard. Uiteraard inclusief ruimtetuig, lancering, vluchtopvolging, diensten van de NASA en tien jaar levensduur.

Belspo, dat instaat voor het federale wetenschapsbeleid, financierde de Belgische bijdrage voor het EUI-project. Dat startte al in 2008 onder de wetenschappelijke leiding van de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB) en de technische leiding van het Centre Spatial de Liège (CSL). Werner Verschueren van Belspo licht toe: ‘EUI werd ontwikkeld door een Europees consortium met belangrijke bijdragen uit Frankrijk (Institut d’Astrophysique Spatiale), Duitsland (Max Planck Institute for Solar System Research), Groot-Brittannië (UCL-Mullard Space Science Laboratory) en Zwitserland (Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos/World Radiation Center).’

Economisch belang

Het economische belang is ook niet min. Verschueren deelde mee dat het Belgisch hardware Consortium bestaande uit CSL (algemene leiding, design, integratie, tests) + GDTECH (numerieke simulaties) + CMOSIS (CMOS-detectors) + DELTATEC (camera) goed was voor een kost van € 16,6 miljoen. De Belgische wetenschappelijke leiding ontvangt via KSB € 4,3 miljoen voor de instrumentspecificaties, de kalibraties, de observationele planning, de dataprocessingsoftware, de analysesoftware.

Geheim van de zonnecyclus

Tijdens het openen van de telescoopdeuren of ‘First Light’-moment ontdekte het EUI-team of de telescoop de lancering had overleefd en naar behoren werkte. Solar Orbiter zweeft de volgende jaren regelmatig rakelings langs Venus. Bij elke passage ‘trekt’ Venus aan Solar Orbiter dankzij de onderlinge zwaartekracht. Daardoor verandert de baan van Solar Orbiter lichtjes. Solar Orbiter kan zo uiteindelijk de zon zeer dicht naderen. Op de uitzonderlijk scherpe EUI-beelden zullen details van een paar honderd kilometer zichtbaar zijn. Later wordt opnieuw de zwaartekracht van Venus gebruikt om de baan te kantelen. Zo kan Solar Orbiter beelden nemen van de noordpool en de zuidpool van de zon ‘van bovenuit’. Een unieke en nieuwe kijk.

De noord- en zuidpool vormen de sleutel om het magnetisme van de zon en de zonnecyclus beter te begrijpen. De zonnecyclus duurt ongeveer 11 jaar. Zo’n cyclus omvat een ‘laag zonneseizoen’ met weinig zonnestormen en een ‘hoog zonneseizoen’ met meer zonnestormen. Deze zonnestormen verstoren technologie op aarde. Door de polen en de magnetische krachten in beeld te brengen, zal het EUI-instrument bijdragen aan het ontrafelen van het geheim van de zonnecyclus. De ruimtetelescoop Extreme Ultraviolet Imager (EUI) is één van de tien instrumenten van Solar Orbiter.

De verwoestende kracht van fotonen

Omdat zoals hoger vermeld de golven of stralen van de zon zo extreem zijn, beschikt de ruimtetelescoop over een thermisch ruimteschild om de calorieën buiten te houden. De gaatjes of pupillen van de telescoop zijn zo klein mogelijk. Eigenlijk bestaat de EUI uit 3 telescopen waaronder twee met hoge resolutie. Daarom moesten de bouwers met ESA onderhandelen om genoeg fotonen te kunnen waarnemen zonder de hitte te hoog te laten oplopen in het ruimtetuig. Naast zeer gevoelige filters die ongewenste golven moeten blokkeren, zijn de spiegels voorzien van meerdere lagen die de golflengtes weerkaatsen die niet interessant zijn. ‘Slecht ruimteweer heeft geen rechtstreekse invloed op de telescoop, maar is wel zeer interessant om waar te nemen’, aldus Berghmans.

De Solar Orbiter vliegt elke 168 dagen rond de zon. Het punt van de baan dat het dichtst de zon nadert, is het perihelium. In het perihelium komt de snelheid van Solar Orbiter in de buurt van de snelheid waarmee de zon omheen haar eigen as draait. Solar Orbiter zweeft tijdens het perihelium boven hetzelfde deel van het zonneoppervlak. Het perihelium is dan ook het uitgelezen moment voor EUI om de zonneatmosfeer in detail te fotograferen. In deze bijna stationaire EUI-beelden registreert de EUI overweldigend kleine details.

Ster op microniveau

Berghmans: ‘Je kan het vergelijken met de aarde die we allemaal kennen van de iconische blauwe knikker. Je zoomt er op in en plots zie je details die je nooit zou verwachten: rivieren, koeien, een weg met een sliert auto’s, huizen met rokende schouwen. Zo lijkt het nu ook met de zon: plotseling kunnen we zien hoe onze ster werkt op microniveau.’ Volgens Berghmans is in het voorbije perihelium de Solar Orbiter tot op ongeveer de helft van de afstand aarde-zon geraakt. ‘In de komende jaar zullen er echter nog dichtere perihelia zijn. De allerdichtste van deze perihelia zal ongeveer 42 miljoen km van de zon zijn.’

Rochus is ‘vraiment très content’. Hoge resolutie (HRI) is zeer moeilijk en die kwaliteit gaat nog verbeteren. In de toekomst zal het ruimtetuig op dezelfde afstand als de baan van Mercurius rond de zon postvatten. Na de lancering zal het nog 3,5 jaar duren eer Solar Orbiter zal aankomen in zijn juiste baan om de zon. De sonde gebruikt de zwaartekracht van Venus om te vertragen en zich in de beste positie te manoeuvreren. De hele Solar Orbiter-missie duurt minstens zeven jaar.

Coronaraadsel

Het doel van de missie is te begrijpen waarom de corona (kroon) van de zon zo heet is. Normaal zou je denken dat die kouder moet zijn dan het oppervlak van de zon. De corona is echter weliswaar kouder dan de kern van de zon, maar veel warmer dan het oppervlak. Sinds jaren 1950 is die warme kroon bekend. Astrofysicus Eugene Parker beschreef de permanente supersonische zonnewind. Een andere astrofysicus, Ludwig Biermann (die werkte met de universiteit van Luik), voorspelde reeds in 1947 die zonnewind. Later bewees hij ook dat de ionenstaart van kometen verstrooid werd door zonnewind. Zo kon de zonnewind worden berekend.

Het doel van deze missie is daar te gaan waar die zonnewind ontstaat. Er bestaan 2 soorten: één van 400 km per seconde snelheid en één die tweemaal zo snel is. Een ander fenomeen dat dankzij de Solar Orbiter onderzocht zal worden is het Zeemaneffect, genaamd naar de Nederlandse fysicus Pieter Zeeman.

De onderzoekers willen de resultaten van alle instrumenten combineren om de vraagstukken te verklaren. Ook met de andere satellieten rond de zon. Het resultaat zou een ruimtemeteorologie opleveren die schade aan satellieten en elektronica op aarde moet helpen voorkomen.

ruimtesonde

Solar Orbiter: een Europees ruimtesucces