Solar Orbiter

Norsk teknologi hjelper Solar Orbiter på vei mot solen

Om få dager skytes Solar Orbiter opp for å ta en nærmere kikk på solen enn noen tidligere europeisk romsatellitt. Forskere ved Universitetet i Oslo utviklerprogramvare for SPICE, ett avti instrumenter på satellitten. Snart vil astrofysikere kunne løse en gammel gåte: solens magnetfelt.

Gjennom de siste 70 årene har vi lært at de eksplosive og dramatiske hendelsene i solens atmosfære er styrt av dens sterke og kompliserte magnetfelt.

Imidlertid kan forskere ennå ikke svare på disse viktigste spørsmålene: Hvordan blir solens magnetfelt til? Hvordan utvikler det seg over tid? Og hvordan forandrer det seg utover i solens atmosfære?

10. februar klokken 05.03 norsk tid skytes Solar Orbiter opp fra Cape Canaveral Air Force Station i Florida. Solar Orbiter, som er et romfartøy laget av den europeiske romforskningsorganisasjonen ESA i samarbeid med NASA, vil hjelpe solfysikerne med å avdekke dette eldgamle mysteriet.

Venter store gjennombrudd

Det primære målet for Solar Orbiter er å finne ut hvordan solen danner og kontrollerer heliosfæren, det store området av partikler og gass som stammer fra solen og som omslutter alle planetene i solsystemet vårt.

Solar Orbiter/SPICE

SPICE er et samarbeid mellom forskningsinstitusjoner i Frankrike, Storbritannia, Norge, Tyskland, Sveits og USA.

Fortkortelsen står for «Spectral Imaging of the Coronal Environment», det betyr med andre ord at instrumentet kan ta spektrale bilder av solens korona.

Inne i SPICE blir sollyset spredt utover en bildedetektor, slik at stråling med forskjellige bølgelengder faller på ulike steder på detektoren. Bølgelengden til strålingen er avhengig av temperaturen til gassen der denne strålingen dannes.

Ved å studere flere av lysets bølgelengder samtidig, ser man med andre ord gass med forskjellige temperaturer på en gang, og man får informasjon gassen på flere høyder i solens atmosfære.

– En av Solar Orbiters hovedoppgaver er derfor å lære oss mer om egenskapene og opphavet til solvinden, den strømmen av elektrisk ladde partikler som hele tiden blåser ut fra solen, forteller Terje Fredvik, som er programmerer ved Institutt for teoretisk astrofysikk på Universitetet i Oslo. 

Disse partiklene beveger seg med svimlende hastigheter opp mot 800 kilometer i sekundet, men nøyaktig hvordan partiklene får så stor fart, er usikkert. Det vi vet, er at solens magnetfelt påvirker partiklenes hastighet og retning. Ved å måle hastigheten, temperaturen, tettheten og sammensetningen av solvindpartiklene, skal man studere solens magnetfelt i detalj.

– En annen hovedoppgave er å undersøke plutselige hendelser i solens atmosfære som skapes av magnetfeltet, som eksplosjoner, utsending av gasskyer, sjokkbølger og andre voldsomme fenomener, sier Fredvik.

Noen få minutter etter disse hendelsene vil man kunne måle hvordan fenomenene har påvirket solvinden idet den farer forbi Solar Orbiter. Dersom vi kan forstå mer av solens magnetfelt, vil vi kunne spå romværet mye bedre i framtiden.

Reiser med ti instrumenter «i lomma»

Terje Fredvik
Terje Fredvik er solfysiker og jobber som programmerer for ITAs arkiv for solobservasjoner (Hinode Science Data Centre). De tre siste årene har han konsentrert seg om SPICE-instrumentet på Solar Orbiter. – Jobben min er kort sagt å oversette rådataene fra SPICE til maskinlesbare filer. Foto: Daniel E. Nóbrega Siverio/UiO

Solar Orbiter vil gå i en elliptisk bane rundt solen. På det nærmeste vil den være 0,28 astronomiske enheter (AE) unna. Til sammenligning ligger Jorda 1 AE unna solen, og Merkur – den innerste planeten i solsystemet – er 0,39 AE unna. Der blir temperaturen over 520 grader Celsius, og lysstyrken er 13 ganger høyere enn på jorda. En så nær passering vil gi muligheter for fantastiske nærbilder av solens overflate, hvor lysende gass danner merkelige formasjoner i de sterke magnetfeltene.

– Solar Orbiter kommer til å fly nærmere solen enn noe tidligere europeisk romfartøy, og den vil også ta nærbilder av solens polarregioner, som er svært vanskelige å se fra jorden, sier Fredvik.

Polene spiller en helt spesiell rolle i puslespillet med å forstå solvinden.

– Den raskeste solvinden sendes ut fra polene, og gasstrømmer mot polene er sannsynligvis med på å drive de periodiske endringene i solas magnetfelt.

For å få gjort alt den skal, består Solar Orbiter av ti instrumenter i to hovedtyper:

– De fire in situ-instrumentene skal måle egenskapene til solvinden og magnetfeltet direkte slik de er ved romfartøyet. Seks fjernmålingsinstrumenter skal prøve å forstå egenskapene til solens atmosfære og overflate ved å ta bilder av dem, forklarer Fredvik.

Strålingen som solen sender ut, består av lys i alle regnbuens farger, men også av stråling som har en farge, eller bølgelengde, som er usynlig for det menneskelige øyet.

– Fjernmålingsinstrumentene på Solar Orbiter er ikke bare i stand til å ta bilder av synlig lys, de kan også se ultrafiolett lys og røntgenstråler, legger Fredvik til.

Slik er UiO med på romferden

Mats Carlsson
– Skal vi forstå solaktivitet, må vi skjønne hvordan magnetfeltet fungerer, sier professor Mats Carlsson, som er leder for Rosseland Centre for Solar Physics.  Foto: Daniel E. Nóbrega Siverio/UiO

Helt siden høsten 2011, da ESA vedtok å bygge Solar Orbiter, har Universitetet i Oslo (UiO) vært med på ferden.

– Vi har vært involvert i Solar Orbiter helt fra begynnelsen , og jeg leder det norske arbeidet, sier professor Mats Carlsson ved UiOs Institutt for teoretisk astrofysikk. Han er leder for Rosseland Centre for Solar Physics (RoCS), et senter for fremragende forskning, finansiert av Norges forskningsråd og UiO.

Institutt for teoretisk astrofysikk (ITA) deltar i utviklingen av programvare til ett av de ti instrumenter om bord på Solar Orbiter. Det heter SPICE­ (Spectral Imaging of the Coronal Environment). Som navnet antyder, vil SPICE kunne observere lys sendt ut fra den ytre delen av solens atmosfære, koronaen. Instrumentet vil kunne se rolig og relativt «kjølig» gass med en temperatur på rundt 10 000ºC, men også gass med ekstreme temperaturer helt opp mot 10 millioner ºC, som oppstår i forbindelse med intense eksplosjoner.

– Vår oppgave er å skrive programvaren som omformer signalene som kommer ned fra SPICE fra telemetri (nokså uforståelig strøm av 0-ere og 1-ere) til bilder som så kan analyseres av forskere i hele verden, påpeker Carlsson.

Bak arbeidet står Terje Fredvik, Stein Vidar Hagfors Haugan, Martin Wiesmann og Pratibha Shrestha, fire ansatte i ITAs «Project Related IT Services»-gruppe (PRITS). De har lang erfaring i å utvikle visualiserings- og analyseprogramvare for rombaserte instrumenter om bord på blant annet den japanske solsatellitten HINODE, ESAs og NASAs romfartøy SOHO og NASAs satellitt IRIS.

Pratibha Shrestha (t.v.), Martin Wiesmann, Terje Fredrik, Stein Vidar Hagfors Haugan
– Vi er en liten gruppe, men vi er i stand til å løse en hel rekke forskjellige arbeidsoppgaver. Vi har lang erfaring innen mange spesialiserte felt som prosjekter som Solar Orbiter og SPICE krever. Vi har tilgang til en fantastisk datamaskinpark, slik at vi alltid har det beste utstyret tilgjengelig, sier Terje Fredvik (nr. 3 f.v.). PRITS-gruppen ved ITA består også av Pratibha Shrestha (t.v.), Martin Wiesmann og Stein Vidar Hagfors Haugan. Foto: Daniel E. Nóbrega Siverio/UiO

– Det er alltid spennende med nye instrumenter og nye anledninger til å kunne lage enda bedre programvare etter å ha gjort erfaringer med "forrige generasjon", sier Stein Vidar Hagfors Haugan, som er faglig leder for PRITS-gruppen.

Instituttet vil også bearbeide nedlastede observasjoner fra Solar Orbiter og gjøre dem tilgjengelige for solforskere over hele verden via et datasenter.

– I Hinode-prosjektet laget vi det europeiske arkivet for alle dataene (alle instrumentene). Alle IRIS-data er også blitt inkludert i dette arkivet, og etter hvert vil også SPICE-data gjøres tilgjengelig, fortsetter han.

– Ettertraktede samarbeidspartnere

Martin Wiesmann lager programmer for å analysere SPICE-data, såkalt QuickLook software som opprinnelig var skrevet for IRIS- og Hinode/EIS-instrumenter.  

Pratibha Shrestha vil jobbe med utviklingen av en ny front-end for arkivet som har data fra Hinode og IRIS og som kommer til å få data fra Solar Orbiter/SPICE.

– Datastrømmen fra SPICE må dekomprimeres, tolkes, sorteres, ordnes og settes sammen på fornuftig vis før dataene kan lagres i et format som gir mening for forskerne. Programpakka som gjør denne jobben kalles en pipeline, og vi i Oslo lager to separate pipelines for SPICE, forklarer Fredvik.

Den vitenskapelige ekspertisen er nok det aller viktigste, men Institutt for teoretisk astrofysikk har også et veldig godt rykte innen solfysikkmiljøet når det gjelder å skrive god og nyttig programvare.

– Denne programvaren er essensiell for å få best mulig vitenskapelig utbytte av dataene, så den ekspertisen vi har, gjør at vi er ettertraktede samarbeidspartnere, sier Haugan.

Lær mer om Solar Orbiters forskningsferd:

Kontakt:

Mats Carlsson, leder for RoCS og professor ved ITA

Terje Fredvik, senioringeniør ved ITA

Les mer på Titan.uio.no: