Ulysses vliegt door de zonnewind; Hoog boven de polen van dezon

Afgelopen zaterdag werd de Europese ruimtesonde Ulysses gelanceerd. Ulysses wordt de snelste sonde van het heelal, bedoeld voor onderzoek van dezonnewind.

Ulysses (prijs 170 miljoen dollar, inclusief lancering) is na de komeetverkenner Giotto de tweede Europese ruimtesonde die naar een naburig hemellichaam wordt gestuurd.

Na een vlucht langs Jupiter zal Ulysses in een baan komen die hem hoog over de polen van de zon voert. Met Ulysses hoopt men een schat aan informatie te verkrijgen over de straling en het magnetische veld aan de poolgebieden van de zon en in de interplanetaire ruimte ver buiten het vlak van de aardbaan: in een deel van het zonnestelsel waarin eerder nog geen enkele ruimtesonde is doorgedrongen.

De zon is een van de ruwweg 200 miljard sterren die tezamen het melkwegstelsel vormen, maar de enige die werkelijk voor ons van belang is. De aarde vangt weliswaar slechts het tweemiljardste deel op van de straling die de zon uitzendt, maar dat is al voldoende voor het in stand houden van atmosferische processen, klimaatgordels, oceaanstromingen, de ionosfeer, de ozonlaag en in feite alle levensvormen. Kleine veranderingen in de toestand van de zon kunnen tot grote verstoringen in de evenwichtssituaties op aarde leiden.

De zon zendt echter niet alleen licht en warmte uit, maar ook een stroom van geladen deeltjes, de zonnewind, die een belangrijke invloed heeft op het magnetische veld van de aarde en de andere planeten. Aan de zonzijde wordt dit veld samengedrukt en aan de schaduwzijde uitgerekt. Deze 'wind' is afkomstig uit het hete, zeer ijle gas dat de zon omringt, de corona, die tijdens een totale zonsverduistering of met behulp van een speciaal geconstrueerde kijker te zien is. De zonnewind is het prototype van een grootschalig, kosmisch plasma, zoals dat voorkomt rond vrijwel alle sterren. Maar het zonneplasma is het enige dat ter plekke kan worden bestudeerd.

Af en toe vinden er op de zon erupties plaats (zonnevlammen), waarbij grote hoeveelheden zeer energierijke deeltjes worden uitgezonden. Wanneer deze ongeveer een dag later de aarde bereiken, verstoren zij het magnetische veld en kunnen zij tot het uitvallen van radioverbindingen en de ontregeling van elektrische apparatuur leiden. Vorig jaar viel hierdoor in Canada zelfs een kerncentrale uit. Maar ook leveren zulke magnetische verstoringen prachtige poollichten op, die dan soms ook in onze streken de nachtelijke hemel opluisteren.

Hoewel de astronomen in de afgelopen eeuw al heel wat over deze meest nabije ster te weten zijn gekomen, heeft het onderzoek zich noodzakelijkerwijs moeten beperken tot het gebied rond de evenaar van de zon. Doordat het baanvlak van de aarde een hoek van slechts 7 graden maakt met de zonsevenaar, kunnen we slechts 'van opzij' tegen de zon aankijken. En ook de vele interplanetaire ruimtesondes die straling, deeltjes en magneetvelden in het gebied rondom de zon maten, deden dit ruwweg vanuit het vlak van de aardbaan. Dit komt doordat het zeer veel energie kost om ver boven of onder het vlak van de aardbaan te komen.

Over de polen

Ons huidige, ruimtelijke beeld van de zon en zijn omgeving is dus gebaseerd op een soort extrapolatie van metingen in de ruimte in het vlak van de aardbaan en waarnemingen aan de zonneschijf vanaf de aarde. Om te weten te komen of dit beeld klopt, is het nodig om ook eens boven de poolgebieden van de zon te gaan kijken. Het plan voor zo'n vlucht over de polen werd al in 1959, twee jaar na de lancering van de eerste kunstmaan (Spoetnik 1) door Amerikaanse astronomen naar voren gebracht. In het begin van de jaren zeventig begon men in de Verenigde Staten en Europa onafhankelijk van elkaar de mogelijkheden voor zo'n project te bestuderen.

Vanaf 1974 begon de gezamelijke ontwikkeling van het project, dat aanvankelijk Out of Ecliptic (OOE) en vanaf 1974 International Solar Polar Mission (ISPM) heette. Aanvankelijk was het de bedoeling dat er twee identieke ruimtesondes zouden worden gebouwd, die na een vlucht langs Jupiter gelijktijdig over de noord- en de zuidpool van de zon zouden vliegen. Het zou dan mogelijk zijn om verschijnselen die op het ene halfrond werden waargenomen te correleren met die op het andere halfrond, om aldus een nog beter beeld van de processen op te zon te krijgen.

Besnoeiingen in het Amerikaanse ruimtevaartbudget leidden echter tot vertragingen en uiteindelijk tot het schrappen van de Amerikaanse sonde. Daarmee verviel ook de mogelijkheid om echte opnamen van de poolgebieden van de zon te kunnen maken. Door de vertragingen moest de Europese sonde in de motteballen worden gelegd en tijdens die periode veranderde de Europese ruimtevaartorganisatie ESA de naam van het project in Ulysses (in 1984). De ramp met de space shuttle Challenger in 1986 betekende nogmaals uitstel van lancering en opnieuw terugkeer naar de motteballen.

Toch is Ulysses een Amerikaans-Europees project gebleven. De ruimtesonde is weliswaar gebouwd door Europese bedrijven (onder welke het Nederlandse bedrijf Fokker), maar de negen wetenschappelijke instrumenten zijn voor de helft van Amerikaanse makelij. De NASA heeft ook de energiebron van de ruimtesonde geleverd (een op het verval van radioactieve isotopen werkende generator), de lancering verzorgd en de radioschotels van haar Deep Space Network ingeschakeld voor het onderhouden van het contact met Ulysses. Tegen de radioactieve energiebron wordt actie gevoerd door de antikernenergiebeweging.

Gravitatieveld

Voor Ulysses de zon gaat waarnemen heeft hij echter nog een lange weg te gaan. De sonde vliegt eerst naar de planeet Jupiter, waar hij in februari 1992 aankomt (bijna drie jaar eerder dan de in november 1989 gelanceerde Jupiterverkenner Galileo). Het gravitatieveld van deze planeet wordt benut om de sonde in de richting van de zon te slingeren, maar nu in een baan die loodrecht staat op het baanvlak van de aarde (zie kaderstuk). In de zomer van 1994 zal Ulysses over de zuidpool van de zon vliegen en een jaar later over de noordpool.

Ulysses zal overigens niet erg dicht bij de zon komen. Tijdens zijn tocht over de polen bedraagt zijn afstand tot de zon ongeveer 300 miljoen kilometer (het dubbele van de afstand aarde-zon) en tijdens zijn dichtste nadering (in februari 1995) bedraagt die afstand altijd nog 210 miljoen kilometer. De twee Duitse zonneverkenners, Helios 1 en 2, kwamen in het midden van de jaren zeventig tot op 45 miljoen kilometer van de zon, dus binnen de baan van Mercurius, de binnenste planeet van ons zonnestelsel. Maar ook die ruimtesondes kwamen niet ver buiten het baanvlak van de aarde.

Ulysses is de eerste ruimtesonde die in gebieden komt die nog nooit eerder door een ruimtesonde zijn doorkruist. Zijn naam is dan ook zeer toepasselijk gekozen. Ulysses was in Dante's Inferno de Griekse held die zich na de Trojaanse Oorlog wat verveelde en daarom besloot het deel van de wereld te gaan verkennen dat voorbij de Zuilen van Hercules (de Straat van Gibraltar) lag: in die tijd voor de Grieken nog volstrekt onbekend gebied.

Het gebied waarin de invloed van de zon zich in de interplanetaire ruimte doet gelden noemt men de heliosfeer. In dit gebied heersen de zonnewind en het daarin meegevoerde magnetische veld, dat in het inwendige van de zon wordt opgewekt. Door de rotatie van de zon (een omwenteling in 27 dagen) hebben de zonnewind en het magnetische veld in de buurt van de evenaar van de zon een zeer gecompliceerde, min of meer spiraalvormige structuur. Aan de polen, waar het effect van de zonnerotatie minimaal is, verwacht men een veel eenvoudiger en ongestoorder structuur: de magnetische veldlijnen lopen er waarschijnlijk radiaal en minder verward de ruimte in en ook de zonnewind zal er veel gelijkmatiger stromen. Dit betekent dat de processen die zich daar afspelen beter begrepen kunnen worden.

De zonnewind is een continue 'wind', maar de dichtheid en snelheid blijken in de loop der tijd sterk te varieren. In de buurt van de aardbaan bedraagt de snelheid gemiddeld 400 kilometer per seconde, maar er zijn ook snelheden van 1000 kilometer per seconde en meer gemeten. Men denkt dat zulke snelle deeltjesstromen afkomstig zijn uit 'gaten' in de corona: de donkere gebieden die op rontgenopnamen van de zon zijn te zien. Zulke gaten hebben de neiging zich te vormen op hogere breedten en misschien is de corona aan de polen wel een groot gat. Metingen aan de samenstelling van het zonnewindplasma boven de polen kan unieke informatie leveren over het mechanisme dat de zonnewind in die gaten doet versnellen.

Maagdelijke deeltjes

Een ander belangrijk doel van Ulysses is het meten van de deeltjes van de kosmische straling, die uit allerlei richtingen uit het heelal komen en het produkt zijn van explosieve gebeurtenissen, zoals sterexplosies. Het onderzoek aan deze deeltjes wordt bemoeilijkt door het feit dat hun eigenschappen worden veranderd wanneer ze door de invloedsfeer van de zon bewegen. Op hogere breedten zijn deze verstoringen geringer en boven de polen van de zon zou Ulysses zelfs maagdelijke deeltjes kunnen registreren die vrijwel ongestoord langs de magnetische veldlijnen zijn binnengekomen.

Andere instrumenten aan boord van Ulysses zijn bestemd voor metingen aan microscopische stofdeeltjes (afkomstig van kometen en planetoiden, of uit de interstellaire ruimte), aan gasatomen die vanuit de ruimte buiten het zonnestelsel de heliosfeer binnenkomen en aan uitbarstingen van rontgenstraling op de zon.

Aan dit laatste instrument is ook door een Nederlands instituut meegewerkt: het Laboratorium voor Ruimteonderzoek in Utrecht. Met dit instrument zullen ook de mysterieuze uitbarstingen van de nog veel energierijker gammastraling uit het heelal worden gedetecteerd. Wanneer zulke uitbarstingen ook vanuit satellieten rond de aarde worden geregistreerd, kan uit de tijdverschillen de positie van de bron aan de hemel worden bepaald en kan men gaan kijken wat die bron nu precies is.

Gravitatiegolven

Ulysses zal ook worden gebruikt voor het waarnemen van eventuele gravitatiegolven. Deze golven, rimpels in het raamwerk van ruimte en tijd, kunnen ontstaan door de ineenstorting van bijvoorbeeld zware sterren of kernen van sterrenstelsels. Hierbij komen enorme hoeveelheden gravitatie-energie vrij, die zich met de snelheid van het licht voortplanten. Tot dusver heeft men echter nog geen experimenteel bewijs voor hun bestaan. Een heel kleine, onverklaarbare verandering in de snelheid van Ulysses, gemeten met behulp van de heen en weer reizende radiogolven, zou op het passeren van zo'n gravitatiegolf kunnen wijzen.

Hoewel de zon uiteindelijk het belangrijkste reisdoel van Ulysses is, zal deze ruimtesonde al kort na het verlaten van de aarde met metingen aan de omstandigheden in de interplanetaire ruimte beginnen. Als de sonde eind 1995 over het noordpoolgebied van de zon is gevlogen, is zijn taak in principe beeindigd. De ruimtesonde blijft echter in een wijde baan om de zon draaien, waarbij hij in 1999 opnieuw over de zuidpool en in 2000 over de noordpool komt. Wanneer zijn energiebron dan niet te veel is uitgeput, zouden er misschien op zeer bescheiden schaal nog metingen kunnen worden verricht.

Aanbevolen literatuur: Zon en aarde. Herbert Friedman. Natuur en Techniek. 1989, Maastricht. ISBN 90.70.157.83.7

Swingby-techniek

Iedere ruimtesonde krijgt bij het verlaten van de aarde de snelheid waarmee de aarde om de zon draait mee. Deze snelheid, 30 kilometer per seconde, zorgt ervoor dat de sonde in vrijwel dezelfde baan als de aarde om de zon blijft draaien. Het kost veel energie om zo'n sonde in een baan te krijgen die een grote hoek met het vlak van de aardbaan maakt.

Nog moeilijker is het om vanaf de aarde rechtstreeks in een baan over de polen van de zon te komen. De baansnelheid van de aarde zou dan moeten worden gecompenseerd door een even grote, tegengesteld gerichte snelheid en ook zou er nog een snelheid loodrecht daarop nodig zijn. Het resultaat van die twee zou een snelheidsverandering van 42 kilometer per seconde zijn, iets wat geen enkele raket momenteel kan presteren.

Door de ruimtesonde eerst langs Jupiter te sturen, kan men als het ware baanenergie en dus snelheid van die planeet 'afnemen'. De aantrekkingskracht van deze reuzenplaneet wordt gebruikt om de ruimtesonde te versnellen en de baan zodanig te veranderen dat het baanvlak loodrecht op de aardbaan komt te staan. Op dat moment is Ulysses de snelste ruimtesonde aller tijden: 126 kilometer per seconde.

Ulysses zal Jupiter in de richting van diens noordpool naderen en vervolgens achterlangs via de zuidpool in de richting van de zon worden geslingerd. Een minuscuul deel van de bewegingsenergie van Jupiter wordt hierbij aan Ulysses overgedragen, waarbij de snelheid van Jupiter in theorie iets kleiner wordt.

Deze techniek, swing-by techniek geheten, is al vele malen eerder toegepast om een ruimtesonde op een snelle, zuinige manier naar een planeet te sturen. De Voyager-2 kon hierdoor in een vrij korte tijd de planeten Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus bezoeken. Men kan de techniek ruwweg vergelijken met het vastgrijpen van de leuning van een trap op het moment dat men tijdens het afdalen zonder te stoppen een scherpe bocht moet maken. Om de techniek bij Ulysses te laten slagen moeten de aarde, Jupiter en de zon zich in een bepaalde onderlinge positie bevinden. Deze doet zich om de dertien maanden gedurende enkele weken voor: dit jaar van 5 tot 23 oktober.

Foto: Rechts. De baan van Ulysses. De sonde zal eerst een reis van 15 maanden naar Jupiter maken. Daar wordt hij in het gravitatieveld van de reuzenplaneet uit het equatoriale vlak van de zon gebracht. Vervolgens vliegt hij onder de zuidpool van de zon en later boven de noordpool.

Boven. Ulysses met de raketten PAM en IUS, zoals de combinatie door de Discovery buitenboord werd gezet. Na uitbranden worden de raketten afgestoten.