Auringon suurienergiaiset hiukkaset vahingoittavat teknisiä järjestelmiä avaruudessa ja voivat aiheuttaa vakavan säteilyvaaran astronauteille. FM Osku Raukunen tutki pitkien havaintosarjojen avulla Auringon hiukkaspurkausten esiintymistä ja ominaisuuksia, vertaillen erityisesti Auringon kahta viimeisintä aktiivisuusjaksoa. Tutkimuksessa kehitettyjä hiukkassäteilymalleja voidaan hyödyntää avaruuslaitteiden suunnittelussa.
Auringon aktiivisuus vaihtelee keskimäärin 11 vuoden jaksoissa. Tunnetuin aktiivisuuden mittari on auringonpilkkujen lukumäärä, jota on havainnoitu säännöllisesti jo 1700-luvulta lähtien. Hiukkaspurkauksia esiintyy yleensä eniten silloin kun Aurinko on muutenkin aktiivinen. Vuoden 2019 lopussa päättynyt aktiivisuusjakso ja sitä edeltävä olivat aktiivisuuksiltaan hyvin erilaiset.
– Auringon kahden edellisen jakson välinen hiljainen aika oli poikkeuksellisen pitkä, ja jälkimmäinen jaksoista jäi aktiivisuudessaan monin tavoin edellistä vähäisemmäksi. Hiukkaspurkauksia esiintyi huomattavasti vähemmän ja ne olivat heikompia kuin edellisessä jaksossa, väittelijä kertoo.
Auringon suurienergiaiset hiukkaset koostuvat pääosin protoneista ja elektroneista ja lisäksi pienestä määrästä protonia raskaampia ioneja. Hiukkaspurkauksien koostumuksia tutkimalla voidaan saada tietoa fysikaalisista prosesseista, joissa hiukkaset kiihtyvät suuriin energioihin.
– Havaitsimme, että raskasionien keskimääräiset runsaudet olivat vähäisempiä jälkimmäisen aktiivisuusjakson aikana. Tämä viittaa hiukkaskiihdytysprosessien heikentymiseen. Osoitimme, että Auringon koronan plasman ja supratermisten hiukkasten tiheyden pieneneminen voi selittää tämän heikentymisen.
Avaruuslentojen suunnittelijat tarvitsevat tietoa avaruuden säteily-ympäristöstä – kehitettyjen mallien avulla arvioidaan säteilyn kertymää ja huippuintensiteettiä
Auringon suurienergiaiset hiukkaset syntyvät räjähdysmäisissä soihduissa ja koronan massapurkauksissa. Hiukkaspurkausten aikana hiukkasten vuo voi kasvaa useita kertalukuja minuuteissa ja purkaukset saattavat kestää useita vuorokausia. Vaikka hiukkaspurkauksia esiintyykin yleensä enemmän Auringon ollessa aktiivinen, yhteys aktiivisuuden ja hiukkaspurkauksien välillä on tilastollinen, eikä täsmällinen.
– Emme pysty nykytiedolla ennustamaan hiukkaspurkauksia luotettavasti. Hiukkaspurkauksen alkaessa voidaan joissain tapauksissa saada ennakkovaroitus esimerkiksi röntgen- tai radiohavaintojen avulla, mutta lähes valonnopeudella kulkevilta kaikkein suurienergiaisimmilta hiukkasilta suojautumiseen tämäkään ei riitä.
Avaruuslentojen suunnittelijat tarvitsevat kuitenkin tietoa säteily-ympäristöstä, jolle tekniset laitteet ja astronautit tulevat lennon aikana altistumaan. Tähän tarvitaan aiemmista hiukkaspurkauksista saatujen tietojen perusteella kehitettyjä tilastollisia malleja. Väitöstutkimuksessa hyödynnettiin sekä satelliittien tekemiä suoria hiukkashavaintoja että Maan pinnalta neutronimonitoreilla tehtyjä epäsuoria havaintoja.
– Havaintoja on tehty yhtäjaksoisesti satelliiteilla 1970-luvulta lähtien ja neutronimonitoreilla 1950-luvulta lähtien, joten havaintosarjat kattavat useamman Auringon aktiivisuusjakson.
Väitöstutkimuksessa kehitettiin tilastolliset mallit suurienergiaisten hiukkasten kertymälle ja huippuintensiteetille. Hiukkasten kertymä liittyy esimerkiksi elektronisten komponenttien heikkenemiseen ja astronauttien saamaan kokonaissäteilyannokseen. Huippuintensiteetti taas liittyy komponenttien äkillisiin vikatiloihin ja astronauttien mahdolliseen säteilymyrkytykseen.
– Mallien avulla avaruuslaitteen kehittäjä saa esimerkiksi laskettua tietyn energiaisten hiukkasten kertymän, jota ei ylitetä suunnitellun mittaisen avaruuslennon aikana esimerkiksi 95% todennäköisyydellä.
***
FM Osku Raukunen esittää väitöskirjansa ” Empirical Modelling of Solar Energetic Particles” julkisesti tar-kastettavaksi Turun yliopistossa maanantaina 28.6.2021 klo 12.
Väitöstilaisuutta voi seurata etänä
Vastaväittäjänä toimii tohtori Eamonn Daly (Euroopan avaruusjäjestö) ja kustoksena professori Rami Vainio (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on fysiikka.
Turun yliopisto seuraa aktiivisesti koronavirustilannetta ja viranomaisten ohjeita. Yliopisto päivittää ohjei-taan tilanteen mukaan. Ohjeet ja linkit löytyvät osoitteesta: utu.fi/koronavirus
Väittelijän yhteystiedot: oajrau@utu.fi
Kuva: NASA/GSFC/SDO
