Jerzy Michał Pawlak: Podróżnicy na skraju Układu Słonecznego

2012-10-07. Niedawno minęło 35 lat od wystrzelenia przez NASA bliźniaczych sond Voyager. Jako pierwszy wystartował Voyager 2, a stało się to 20 sierpnia 1977 roku. Voyager 1 wyruszył w podróż jako drugi, 5 września tegoż roku. Głównym zadaniem misji obydwu sond było zbadanie zewnętrznych planet Układu Słonecznego. Voyagery odwiedziły Jowisza i Saturna, a Voyager 2 także Urana i Neptuna. Plon naukowy misji był imponujący: odkrycie pierścieni i pasów radiacyjnych Jowisza, wulkanów na jego księżycu Io, lodowej powierzchni innego księżyca – Europy, splątanej magnetosfery Urana czy „wielkiej ciemnej plamy” Neptuna, to tylko niektóre zasługi Voyagerów. 

Ostatnie spotkania z wielkimi planetami wyrzuciły sondy na orbity wiodące poza Układ Słoneczny. Obie oddalają się obecnie od Słońca z prędkościami przekraczającymi prędkość ucieczki, co oznacza że nie powrócą one już nigdy w jego okolice. Voyager 1 jest obecnie najodleglejszym obiektem wykonanym ludzką ręką,  znajduje się w odległości ponad 18,2 mld km od Ziemi (ponad 122 razy dalej, niż średnia odległość Ziemia–Słońce) i oddala się od Słońca z prędkością 17 km/s w kierunku gwiazdozbioru Wężownika. Voyager 2, mimo wcześniejszego startu, pozostał nieco w tyle,  jego odległość od Ziemi wynosi obecnie 14,8 mld km, a porusza się w kierunku gwiazdozbioru Lunety z prędkością 15,4 km/s. Jest on za to rekordzistą pod względem czasu funkcjonowania sondy kosmicznej.

Oba Voyagery zasilane są przez generatory radioizotopowe, czerpiące energię z rozpadu izotopów promieniotwórczych. Produkowana przez te generatory moc spada z czasem, w miarę wyczerpywania się jądrowego paliwa. Dlatego większość przyrządów naukowych na ich pokładach musiała zostać w ostatnich latach wyłączona. Jednak obie sondy wciąż zbierają dane z pozostałych instrumentów i przesyłają je regularnie na Ziemię. Inżynierowie szacują, że będą to robić do roku 2025, wtedy moc generatorów spadnie na tyle, że nie będą one już w stanie zasilić nadajnika radiowego i Voyagery zamilkną na zawsze.

Pytanie oczywiście po co to wszystko, po co NASA wciąż wytrwale nasłuchuje sygnałów, pomimo że sondy dawno minęły nie tylko wielkie planety, ale nawet tzw. pas Kuipera: obszar rozciągający się za orbitą Neptuna, zawierający lodowe pozostałości po tworzeniu Układu Słonecznego? Co naukowcy spodziewają się jeszcze tam znaleźć? Odpowiedź jest dość ciekawa: Voyagery poszukują obecnie granicy Układu Słonecznego i odpowiedzi na pytanie co jest poza nią.

Aby wyjaśnić cóż to za granica i jak powstaje, zacznijmy od stwierdzenia, że przestrzeń pomiędzy gwiazdami w naszej galaktyce nie jest całkowicie pusta – wypełnia ją tak zwany ośrodek międzygwiazdowy. Skład i własności tego ośrodka są przy tym mocno zmienne, trafiają się zarówno stosunkowo gęste obłoki gazu i pyłu (wiele z nich możemy obserwować jako efektowne mgławice), jak i obszary bardzo rozrzedzonego gazu. W okolicy, w której obecnie znajduje się Słońce, ośrodek międzygwiazdowy ma gęstość rzędu jednego protonu na centymetr sześcienny. Dla porównania: najwyższa próżnia uzyskiwana w ziemskich laboratoriach zawiera wciąż setki cząsteczek gazu w każdym centymetrze sześciennym. W skali astronomicznej jest to jednak gęstość znacząca, gęstość materii w przestrzeni międzygalaktycznej jest bowiem jeszcze milion razy niższa.

I chociaż, jak się wydaje, sporo na temat lokalnego ośrodka międzygwiazdowego wiemy, to cała ta wiedza pochodzi z pomiarów pośrednich. Nie mieliśmy z nim dotychczas bezpośredniego kontaktu, a przyczyną tego stanu rzeczy jest Słońce, a dokładniej emitowany przez nie we wszystkich kierunkach strumień plazmy (czyli mieszaniny zjonizowanych atomów i elektronów) zwany wiatrem słonecznym. Gęstość i prędkość ruchu cząstek wiatru słonecznego jest zmienna, przeciętnie w okolicach Ziemi cząstki wiatru słonecznego poruszają się z prędkością 400 km/s. Wiatr ten „wydmuchuje” z przestrzeni międzyplanetarnej gaz międzygwiazdowy i tworzy olbrzymi bąbel, zamykający w sobie Układ Słoneczny. Dopiero w znacznej odległości od Słońca, przewyższającej 100 jednostek astronomicznych (jednostka astronomiczna to średnia odległość Ziemia-Słońce) wiatr słoneczny staje się na tyle rozrzedzony i powolny, że ciśnienie gazu międzygwiazdowego jest w stanie go zatrzymać. Ten wydmuchany przez wiatr słoneczny bąbel astronomowie nazywają heliosferą, zaś jego granicę, gdzie wiatr słoneczny równoważy ciśnienie ośrodka międzygwiazdowego, heliopauzą. Jak czytelnicy zapewne się już w tym miejscu domyślają, ostatecznym celem misji Voyagerów jest przekroczenie heliopauzy i pierwszy kontakt z ośrodkiem międzygwiazdowym.

Spodziewamy się, że heliopauza będzie jednocześnie granicą zasięgu słonecznego pola magnetycznego. Wynika to z faktu, że strumienie plazmy unoszą ze sobą „wmrożone” pole magnetyczne z obszaru swego powstawania, mają zaś tendencję do odpychania „obcych” pól magnetycznych. Dlatego oczekujemy, że przekroczenie heliopauzy będzie zarazem pierwszym bezpośrednim kontaktem z międzygwiezdnym polem magnetycznym.

Voyagery są pierwszymi sondami bezpośrednio badającymi granice heliosfery. Nasza dotychczasowa wiedza o jej budowie oparta jest w dużej mierze na teorii i pewnych pośrednich obserwacjach, jest więc mocno niepełna. Nie jest na przykład znany dokładny zasięg ani kształt heliosfery: wiadomo że Słońce porusza się przez lokalny ośrodek mięgdzygwiazdowy, dlatego naukowcy przypuszczali, że heliosfera może być mocno wydłużona, jej granica w kierunku ruchu byłaby bliżej Słońca, a w przeciwnym kierunku rozciągała się dalej. Snuto nawet hipotezy, że za Układem Słonecznym ciągnąć się może „ogon”, analogiczny do ogona komet, chociaż znacznie rzadszy. Ostatnie badania wskazują jednak że heliosfera prawdopodobnie jest tylko lekko wydłużona. Voyagery poruszają się, nb, w kierunkach zbliżonych do kierunku ruchu Słońca, w stronę czoła heliosfery, więc bezpośrednio na to pytanie nie odpowiedzą, ale niewątpliwie pomogą w jego rozstrzygnięciu.

W swej drodze ku heliopauzie oba Voyagery przekroczyły już jedną ważną granicę: minęły one tzw. szok końcowy, lokalne zagęszczenie cząstek wiatru słonecznego, tworzące się w miejscu, w którym szybkość ich poruszania się zrównuje się z szybkością rozchodzenia się zaburzeń gęstości. Fizycy nazywają tę ostatnią prędkością dźwięku w plaźmie, chociaż oczywiście dźwięki jakie znamy z życia codziennego w tak rozrzedzonym ośrodku nie mogą się rozchodzić. Szok końcowy jest tym miejscem, w którym cząstki wiatru słonecznego „dowiadują się” o czekającym je zderzeniu z ośrodkiem międzygwiazdowym i zwalniają swój ruch, by po pewnym czasie przyspieszyć z powrotem, pod działaniem ciśnienia ze strony kolejnych nadlatujących cząstek. Przyjmuje się na ogół, że Voyager 1 minął szok końcowy w grudniu 2004 roku, w odległości 94 jednostek astronomicznych od Słońca. Data ta jest jednak dyskusyjna, ponieważ na skutek awarii od dawna nie działa jego detektor wiatru słonecznego. Badacze musieli więc uzyskać tę informację pośrednio, posiłkując się odczytami innych przyrządów. Voyager 2, którego detektor wiatru słonecznego działa poprawnie, przeszedł przez szok końcowy w roku 2007, w odległości około 80 jednostek astronomicznych. Tak znaczna różnica odległości pomiędzy wynikami obu sond była niespodzianką i wskazuje, że heliosfera nie jest symetryczna, od południowej strony Układu Słonecznego jest bardziej „ściśnięta”. Prawdopodobną przyczyną tego stanu rzeczy jest międzygwiezdne pole magnetyczne.

Niemal wszystko, co przysyłały nam Voyagery od przekroczenia szoku końcowego było zresztą ciekawe i często nieoczekiwane. Okazało się na przykład, że temperatura plazmy za szokiem końcowym jest niższa od spodziewanej. Coś wyraźnie unosi część energii wiatru słonecznego, prawdopodobnie są to indywidualne cząstki rozpędzane przez szok do wysokich prędkości. Zjawisko takie było wprawdzie przewidywane, ale wydaje się przebiegać inaczej, niż z tych przewidywań wynikało. Ponadto poza szokiem końcowym Voyagery obserwują istnienie w plaźmie struktur, podobnych do olbrzymich bąbli.

Najnowsza niespodzianka, której dostarczył Voyager 1, zmusza naukowców do kolejnej rewizji modeli heliosfery. Pod koniec roku 2010 przyrządy sondy wykazały, że wiatr słoneczny „zatrzymał się”, jego ruch w kierunku od Słońca zamarł. Naukowcy przypuszczali, że sonda znalazła się blisko przed heliopauzą, w przewidywanym obszarze, w którym strumień wiatru słonecznego zmieniać winien kierunek ruchu na równoległy do granicy heliosfery, przeciwny do kierunku ruchu Słońca przez ośrodek międzygwiazdowy. Aby sprawdzić tę hipotezę kontrola lotu poleciła Voyagerowi kilkakrotnie obrócić się, tak by detektory mogły obserwować cząstki nadbiegające z innych kierunków, niż od Słońca. Jednak, jak doniesiono niedawno, cząstek takich nie widać. Wydaje się, że wiatr słoneczny po prostu zamarł i sonda żegluje przez obszar względnej „ciszy”, acz wciąż w plaźmie wyrzuconej ze Słońca. Czegoś takiego modele heliosfery nie przewidywały i naukowcy zaczęli się w związku z tym znacznie ostrożniej wypowiadać na temat przewidywanego terminu przejścia przez heliopauzę.

Być może jednak do tej granicy nie jest już daleko. Niedawno kontrola lotów doniosła, że Voyager 1 obserwuje zmiany: maleje strumień energetycznych cząstek rozpędzanych w Układzie Słonecznym, coraz częściej natomiast rejestrowane są impulsy promieniowania kosmicznego o wyższych energiach. Według najśmielszych przewidywań może to oznaczać, że sonda przejdzie heliopauzę jeszcze pod koniec tego roku. Jednak większość naukowców jest bardzo ostrożna z przewidywaniami i mówi o zakresie od miesiąca do kilku lat. Niezależnie jednak kiedy, jesteśmy prawie pewni, że Voyagery przed zakończeniem funkcjonowania wydostaną się poza zasięg plazmy i pola magnetycznego Słońca i zapewne przyślą nam jeszcze kolejne niespodzianki ze swej wyprawy.

Jerzy Michał Pawlak

Print Friendly, PDF & Email

4 komentarze

  1. Olkuska 2012-10-07
    • PK 2012-10-07
    • bisnetus 2012-10-08
      • bisnetus 2012-10-08
WP Twitter Auto Publish Powered By : XYZScripts.com