Nauka

Poza Układem

Voyager sunie w nieskończoność

Ślepy i niemy Voyager 1 zawędruje w pobliże innej niż Słońce gwiazdy za 40 tys. lat. Ślepy i niemy Voyager 1 zawędruje w pobliże innej niż Słońce gwiazdy za 40 tys. lat. NASA / NASA/JPL - Caltech
Pierwsza w historii sonda kosmiczna opuszcza właśnie Układ Słoneczny i wypływa na ocean galaktycznej pustki.
Schematyczna budowa heliosfery. 1 - Swobodny wiatr. 2 - Otok. 3 - Heliopauza. 4 - Fala wytwarzana przez ruchomą heliosferę.M. Kubiak, M. Frołow i Tentaris/Centrum Badań Kosmicznych Schematyczna budowa heliosfery. 1 - Swobodny wiatr. 2 - Otok. 3 - Heliopauza. 4 - Fala wytwarzana przez ruchomą heliosferę.
Mgławica Bańka wydmuchana w ośrodku międzygwiazdowym przez widoczną w jej wnętrzu gwiazdę.Daniel Lopez/IAC Mgławica Bańka wydmuchana w ośrodku międzygwiazdowym przez widoczną w jej wnętrzu gwiazdę.

Proste z pozoru pytanie o granicę Układu Słonecznego długo pozostawało bez jednoznacznej odpowiedzi. No bo gdzie ją umieścić? Na orbicie najdalszej planety, czyli Neptuna, który krąży w odległości 30 j.a. od Słońca? (j.a. – jednostka astronomiczna = 150 mln km = promień orbity Ziemi). Oderwalibyśmy wtedy od słonecznej rodziny Plutona i jego licznych towarzyszy z tzw. pasa Kuipera, rozciągającego się między 30 a 50–60 j.a. Może te granice ustalić na zewnętrznym brzegu pasa Kuipera? Ale w takim razie co z obiektami, których orbity są silnie wydłużone i częściowo wystają poza pas? Więc może tam, gdzie grawitacja Słońca zrównuje się z grawitacją sąsiednich gwiazd? Niestety, wszystkie gwiazdy (łącznie ze Słońcem) poruszają się względem siebie, przez co tak zdefiniowana granica „falowałaby” w przestrzeni.

Problem rozwiązano w zupełnie inny sposób: Układ Słoneczny jest zanurzony w niezwykle rozrzedzonej mieszaninie gazów i mikroskopijnych ziaren lodowo-pyłowych, zwanej ośrodkiem międzygwiazdowym. W ciągu godziny Słońce traci średnio 5 mld ton materii, która w postaci wiatru słonecznego ucieka odeń z prędkością kilkuset kilometrów na sekundę w przestrzeń międzygwiazdową. Wiatr ten rozpycha ośrodek międzygwiazdowy i wytwarza w nim wypełniony słoneczną materią pęcherz, nazywany przez astronomów heliosferą. Powierzchnię heliosfery – tzw. heliopauzę – przyjęto uważać za granicę Układu Słonecznego. Tej definicji trudno już cokolwiek zarzucić, ponieważ to właśnie na heliopauzie wiatr słoneczny styka się z ośrodkiem międzygwiazdowym. Nawiasem mówiąc, choć miliardy ton na godzinę wydają się ilością całkiem pokaźną, dla Słońca jest to utrata wręcz niezauważalna: przy stałej intensywności wiatru znikłoby dopiero za sto bilionów lat.

Podobny do heliosfery pęcherz otacza każdą gwiazdę będącą źródłem wiatru. Wiatry gwiazdowe bywają nieporównanie silniejsze od słonecznego – osiągają prędkość kilku tysięcy kilometrów na sekundę i taką intensywność, że mogłyby rozdmuchać swoje gwiazdy w ciągu niespełna miliona lat. Niektóre z wytwarzanych przez nie pęcherzy do złudzenia przypominają duże bańki mydlane. Bodaj najbardziej malowniczym przykładem takiego obiektu jest pokazana na ilustracji obok Mgławica Bańka, którą wytworzyła widoczna w jej wnętrzu wielka gwiazda o masie 20–30 mas Słońca.

Kosmiczne matrioszki

Wróćmy jednak do heliosfery. Od 2008 r. działa zbudowany specjalnie do jej badania niezwykły satelita IBEX (Interstellar Boundary Explorer). Aby wyjaśnić, na czym polega jego niezwykłość, trzeba przypomnieć, że niemal wszystko, co wiemy o kosmosie, pochodzi z obserwacji promieniowania elektromagnetycznego (fal radiowych, mikrofal, podczerwieni, światła widzialnego itd. – aż do twardych promieni gamma). Ponieważ we wszystkich tych zakresach promieniowanie heliosfery jest praktycznie niewykrywalne, nośnik informacji zbieranych przez IBEX musi mieć zupełnie inną naturę. Są nim tzw. ENA (energetic neutral atoms), czyli szybkie (w naukowym żargonie „energetyczne”) atomy różnych pierwiastków. Satelita mierzy ich energie i rejestruje kierunki, z których przybywają. Po każdym okrążeniu Ziemi trochę zmienia swoją orientację przestrzenną, dzięki czemu jego detektory powoli skanują całe niebo. W ciągu sześciu miesięcy powstaje w ten sposób mapa źródeł ENA, po czym skanowanie rozpoczyna się od nowa. Opracowywaniem i interpretacją map zajmuje się międzynarodowy zespół naukowy misji IBEX, w którego skład wchodzi m.in. grupa astrofizyków z Centrum Badań Kosmicznych PAN (CBK).

Porównanie heliosfery do bańki mydlanej pozwala ją sobie wyobrazić, ale jest dużym uproszczeniem. W rzeczywistości jej budowa przywodzi na myśl chowane jedna w drugą rosyjskie matrioszki. Odpowiednikiem wewnętrznej, nieotwierającej się laleczki jest obszar swobodnego wiatru, w którym słoneczna materia porusza się praktycznie bez przeszkód. W miarę oddalania się od Słońca staje się ona coraz rzadsza, aż w końcu zaczyna odczuwać opór ośrodka międzygwiazdowego. W tym miejscu gwałtownie zwalnia i przechodzi do drugiej laleczki, nazywanej płaszczem lub otokiem. Zewnętrzną granicą płaszcza jest heliopauza, która oddziela go od trzeciej laleczki – obszaru wypełnionego rozepchanym przez wiatr słoneczny ośrodkiem międzygwiazdowym.

Ten i tak już dość zawiły obraz trzeba uzupełnić słonecznym i międzygwiazdowym polem magnetycznym, które można sobie wyobrażać jako wiązki elastycznych gumek. Naładowane elektrycznie cząstki wiatru i ośrodka międzygwiazdowego zachowują się tak, jakby były nanizanymi na te gumki koralikami: poruszając się, mogą je wyginać i rozciągać, ale nie mogą się od nich oderwać. Wskutek skomplikowanych oddziaływań, zachodzących głównie w pobliżu heliopauzy, niektóre z tych cząstek tracą ładunek, zamieniają się w ENA i „odczepiają” od pola magnetycznego. Uzyskawszy swobodę ruchów, już bez przeszkód uciekają w przestrzeń międzygwiazdową lub wnikają do heliosfery, gdzie mogą zostać zarejestrowane przez detektory IBEX.

W Obłoku Międzygwiazdowym

Wbrew pozorom badanie heliosfery nie jest zajęciem czysto akademickim. Ta niewidzialna otoczka Układu Słonecznego w znacznej mierze chroni nas przed docierającymi z głębi kosmosu cząstkami o wielkich energiach, które astrofizycy nazywają promieniowaniem kosmicznym. Gdyby nagle zniknęła, jego natężenie mogłoby wzrosnąć nawet kilkakrotnie, wpływając między innymi na poziom zachmurzenia ziemskiej atmosfery, a zatem i na ilość energii otrzymywanej przez naszą planetę od Słońca.

Najnowsze opracowania danych z IBEX, opublikowane na początku tego roku w prestiżowym tygodniku „Science”, przynoszą wiele szczegółów dotyczących miejsca zajmowanego przez Układ Słoneczny w Galaktyce i sposobu, w jaki heliosfera oddziałuje z ośrodkiem międzygwiazdowym. Okazuje się, że Układ Słoneczny mknie przez materię międzygwiazdową z prędkością 23 km/s w kierunku gwiazd leżących na pograniczu gwiazdozbiorów Skorpiona i Wężownika. Przelatujemy w tej chwili przez długi na 30 lat świetlnych Lokalny Obłok Międzygwiazdowy, do którego dostaliśmy się kilkadziesiąt tysięcy lat temu. Co ciekawe, pierwiastki chemiczne są w nim wymieszane w innych proporcjach niż na Słońcu. Na przykład na 20 atomów neonu przypadają 74 atomy tlenu, podczas gdy na Słońcu aż 111. Albo więc Układ Słoneczny uformował się w bogatszej w tlen okolicy Galaktyki, albo część tlenu międzygwiazdowego została związana w ziarnach pyłu i jest niewykrywalna dla IBEX.

Kolejnym zaskakującym odkryciem IBEX było stwierdzenie, że najwięcej ENA dobiega z obszaru, który w rzucie na sklepienie nieba ma kształt regularnego pierścienia. Według astrofizyków z CBK, mogą one pochodzić z powierzchni Obłoku Lokalnego, o którym skądinąd wiadomo, że wraz z kilkoma podobnymi obłokami tkwi w galaktycznej „dziurze” o średnicy 300 lat świetlnych, wytworzonej kilkanaście milionów lat temu w ośrodku międzygwiazdowym przez potężny wybuch supernowej. Materia jest w niej tak silnie rozrzedzona, że na 10 cm sześc. przypadają średnio tylko dwa atomy. Gęstość Obłoku Lokalnego jest kilkakrotnie większa, ale i on byłby na Ziemi uznany za niemal doskonałą próżnię (wystarczy powiedzieć, że na wysokości 100 km, która jest umowną granicą przestrzeni kosmicznej, w każdym centymetrze sześciennym znajduje się 12 mld atomów).

Listy do obcych cywilizacji

Najnowsze sukcesy IBEX zbiegają się w czasie z 35 rocznicą startu sond Voyager 1 i Voyager 2, które po zbadaniu Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna zostały skierowane ku zewnętrznym warstwom heliosfery. Voyager 1 opuścił w 2004 r. obszar swobodnego wiatru i znajduje się w pobliżu heliopauzy, o czym świadczy m.in. rosnące natężenie rejestrowanych przez niego promieni kosmicznych. Obecnie jest oddalony od Słońca o 115 j.a. i wysyłane przez niego komunikaty docierają do nas z 16-godzinnym opóźnieniem. Bliźniaczy Voyager 2, który porusza się po zupełnie innej trajektorii, dotarł na odległość prawie 100 j.a. Obie sondy są zasilane przez termoelektryczne generatory radioizotopowe, dzięki którym będą mogły funkcjonować jeszcze przez kilka lat (optymiści z zespołu kontroli misji twierdzą, że nawet do 2025 r.).

Oprócz Voyagerów przez heliosferę wędrują sondy Pioneer 10 i Pioneer 11, które wystartowały na początku lat 70. i z którymi NASA nie utrzymuje już kontaktu. Także i one zasłużyły się w badaniach wielkich planet Układu Słonecznego, ale głośno o nich zrobiło się z zupełnie innego powodu – dzięki tzw. anomalii Pionierów. Gdy przecinały orbitę Urana, zauważono, że zmniejszają prędkość w taki sposób, jakby działała na nie bardzo subtelna siła, odpowiadająca jednej stumiliardowej ciążenia ziemskiego. Wszelkie próby objaśnienia tego efektu były bezowocne i w końcu nawet poważni naukowcy zaczęli przebąkiwać o „piątym oddziaływaniu fundamentalnym” (piątym – po grawitacji, elektromagnetyzmie oraz słabym i silnym oddziaływaniach jądrowych), które miałoby się manifestować między innymi w postaci niewielkich zaburzeń przyciągania słonecznego. Zagadkę udało się rozwiązać dopiero w kwietniu br. Sława Turyszew, rosyjski fizyk pracujący w Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie, udowodnił wtedy, że przyczyną pojawienia się siły hamującej była asymetria emitowanego przez Pioneery promieniowania podczerwonego. Podobną asymetrię wykazuje każdy próbnik kosmiczny, ale związane z nią zmiany prędkości można wykryć tylko wtedy, gdy przez długie okresy lot odbywa się bez uruchamiania silników i bez gwałtownych przyspieszeń spowodowanych oddziaływaniem planet (tak właśnie było w przypadku Pioneerów).

Prawdopodobieństwo, że błądzące między gwiazdami Pioneery i Voyagery trafią do obcych istot rozumnych, wydaje się niezwykle małe. Projektanci misji postanowili jednak wykorzystać tę znikomą szansę i za ich pomocą wysłać listy do obcych cywilizacji. Na korpusie każdego Pioneera umocowana jest plakietka z informacjami umożliwiającymi zorientowanie się, gdzie w Galaktyce leży Układ Słoneczny, z której planety został wysłany próbnik i jak wyglądają istoty, które go skonstruowały. Dużo bogatsze przesłanie niosą Voyagery. Każdy ma na pokładzie płytę fonograficzną (dysków kompaktowych jeszcze wtedy nie było!), na której zakodowano 116 zdjęć, liczne dźwięki naturalne (wiatr, grzmot, głosy ptaków itd.), fragmenty utworów muzycznych z różnych epok i kultur oraz orędzia prezydenta USA Jimmiego Cartera i sekretarza generalnego ONZ Kurta Waldheima.

Cztery sondy – cztery butelki z listami rzucone w ocean kosmicznej pustki – właśnie opuszczają lub niedługo opuszczą Układ Słoneczny. Możemy sobie pogratulować kolejnego kroku na drodze do podboju kosmosu. Nie zapominajmy jednak, że ślepy już i niemy Voyager 1 zawędruje w pobliże innej niż Słońce gwiazdy dopiero za 40 tys. lat. Tułaczka pozostałych sond będzie trwała jeszcze dłużej – od 300 tys. lat (Voyager 2) do 4 mln lat (Pioneer 11). Może ktoś przeczyta nasz list, ale my się już o tym nie dowiemy. A przecież 4 mln lat to zaledwie galaktyczny tydzień (jedna pięćdziesiąta druga okresu, w którym Słońce obiega centrum Galaktyki).

Polityka 43.2012 (2880) z dnia 24.10.2012; Nauka; s. 64
Oryginalny tytuł tekstu: "Poza Układem"
Więcej na ten temat
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Nauka

Już milion ofiar koronawirusa na całym świecie!

SARS-CoV-2 okazał się bardziej zabójczy niż grypa, malaria czy AIDS. Skrócił też życie swoich ofiar średnio o 11 lat.

Marcin Rotkiewicz
27.09.2020
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną