Granice przestrzeni międzygwiazdowej: nadchodzi zmiana wyobrażeń

Chociaż ludzkość od tysięcy lat patrzy na gwiazdy, a od dziesięcioleci wystrzeliwane są sondy mające na celu badanie naszego Wszechświata, tylko dwóm statkom kosmicznym z działającą aparaturą udało się dotychczas opuścić bańkę przestrzeni zarządzanej przez nasze Słońce.

Bliźniacze sondy Voyager zostały wystrzelone w 1977 roku, rozpoczynając imponujące tournée po planetach zewnętrznych; obie przeleciały obok Jowisza i Saturna, a trasa Voyagera 2 zahaczyła później o Urana i Neptuna. Później obie sondy kontynuowały swoją wędrówkę, a kilka z ich instrumentów nadal prowadziło obserwacje pomimo wyzwań związanych ze starzeniem się aparatury i słabnącymi źródłami zasilania. W 2004 roku sonda Voyager 1 osiągnęła szok końcowy, rozpoczynając trwające rok przejście do przestrzeni międzygwiazdowej. Voyager 2 przekroczył ten sam próg w 2007 roku.

Od tego czasu bliźniacze sondy kosmiczne dostarczają nam jedynego bezpośredniego widoku na to, co znajduje się na obrzeżach i poza strefą wpływu Słońca na przestrzeń kosmiczną, czyli obszarem, który naukowcy nazywają heliosferą. Odkrycia Voyagerów przyniosły niezliczone nowe zagadki dotyczące zewnętrznej heliosfery i przestrzeni międzygwiazdowej. Czas tych kultowych statków kosmicznych dobiega końca, ale naukowcy poszukują nowych sposobów na zbadanie tajemnic heliosfery.

„Obecnie zdajemy sobie sprawę z tego, jak mało wiemy o heliosferze – mówi Merav Opher, fizyczka kosmiczna z Boston University. – Jest o wiele bardziej złożona i dynamiczna, niż myśleliśmy”.

A oto, co faktycznie wiedzą naukowcy. My, Ziemianie, możemy w uproszczeniu myśleć o Słońcu jako o zwartej, odległej kuli światła, po części dlatego, że nasza przytulna atmosfera chroni nas przed najgorszymi zagrożeniami ze strony tej gwiazdy. W rzeczywistości jednak Słońce jest kipiącą kulą plazmy i magnetyzmu, która wyrzuca w przestrzeń kosmiczną cząsteczki w postaci wiatru słonecznego. Pole magnetyczne Słońca, które przemieszcza się wraz z wiatrem słonecznym, wpływa również na przestrzeń między planetami. Heliosfera rośnie i kurczy się, reagując na zmiany poziomu aktywności Słońca w ciągu 11-letniego cyklu.

„Obserwujemy dramatyczne wstrząsy, minima i maksima, dołki i górki w całej heliosferze w cyklu 11-letnim” – mówi Jamie Rankin, fizyczka kosmiczna z Princeton University, pracująca nad misją Voyager. Jak zauważa, to chaotyczne tło więzi astronomów wszystkich specjalności w sposób, który może wpływać na ich dane i interpretacje. „Każdy z naszych dotychczasowych pomiarów, aż do momentu przekroczenia heliopauzy przez Voyagery, został przefiltrowany przez różne warstwy Słońca” – mówi Rankin.

Voyagery zyskały swoją sławę wtedy, gdy również zostały wystawione na kaprysy Słońca. Bliźniacze statki kosmiczne zostały wystrzelone tak, aby wykorzystać rzadkie ustawienie (zdarzające się tylko raz na 176 lat), które sprawiło, że przemknięcie obok wszystkich czterech planet zewnętrznych – Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna – było zaskakująco ekonomiczne.

Voyagery odkryły, że księżyc Jowisza Io to koszmarny, wulkaniczny glob, który w niczym nie przypomina martwego, szarego księżyca Ziemi. Voyager 1 zbadał duży księżyc Saturna Tytan i jego gęstą, mętną atmosferę, składającą się, podobnie jak atmosfera Ziemi, głównie z azotu. Voyager 2 jako pierwszy i nadal jedyny statek kosmiczny przeleciał obok Urana i Neptuna, gdzie odkrył superszybkie wiatry, ponad tuzin księżyców i sześć nowych pierścieni, a także dziwne, nachylone pole magnetyczne Urana i układ cyklonów Neptuna, tzw. Wielką Ciemną Plamę. Od tego czasu Układ Słoneczny nie wyglądał już tak samo.

Jeszcze przed startem poetyka misji wydawała się oczywista. Astronom Carl Sagan przeforsował pomysł wyposażenia obu statków kosmicznych w Złotą Płytę. Był to symboliczny gest skierowany do wszelkich inteligentnych form życia we Wszechświecie. Na każdej płycie, wykonanej tak, aby wytrzymały ekstremalne warunki panujące w przestrzeni międzygwiazdowej, umieszczono mapę naszego położenia we Wszechświecie, zdjęcia codziennego życia na Ziemi oraz pozdrowienia i piosenki w najróżniejszych językach. Płyty te przedstawiają przepełniony miłością portret ludzkości – przekaz dla każdego, kto je znajdzie w ciągu wieków, podczas których statek kosmiczny będzie unosić się w kosmosie.

W trakcie swojej wędrówki ku przestrzeni międzygwiazdowej Voyagery musiały przekroczyć wiele granic: najpierw szok końcowy w odległości około 7 lub 8 mld km od Słońca, gdzie wiatr słoneczny gwałtownie zaczyna zwalniać, a następnie heliopauzę, gdzie ciśnienie zewnętrzne wiatru słonecznego jest równe ciśnieniu ośrodka międzygwiazdowego. Pomiędzy tymi dwoma wyraźnymi granicami znajduje się płaszcz Układu Słonecznego, czyli region, w którym materia słoneczna nadal zwalnia, a nawet zmienia kierunek. Wędrówka przez te granice zajęła Voyagerowi 1, szybszej z bliźniaczych sond, prawie osiem lat; tak ogromna jest skala tej gry.

Poza heliopauzą znajduje się przestrzeń międzygwiazdowa, do której Voyager 1 dotarł w 2012 roku, a Voyager 2 w 2018. Jest to zupełnie inne otoczenie niż nasza heliosfera – spokojniejsze, ale nie całkiem spokojne. „To relikt środowiska, z którego narodził się Układ Słoneczny” – mówi Rankin o ośrodku międzygwiazdowym. Znajdują się w nim m.in. energetyczne cząstki zwane galaktycznym promieniowaniem kosmicznym (galactic cosmic rays), a także pył wyrzucony przez umierające gwiazdy w ciągu miliardów lat istnienia Wszechświata.

Ośrodek międzygwiazdowy w Galaktyce jest zróżnicowany, na przemian z gęstszymi i rzadszymi obszarami w ramionach spiralnych Drogi Mlecznej. Nasze Słońce i tworzony przez nie bąbel przebijają się przez ten ośrodek, a interakcja między dynamiką Słońca a ośrodkiem międzygwiazdowym wpływa na kształt heliosfery.

Naukowcy nie wiedzą jednak jeszcze, jaki to kształt. Może ona przypominać kometę, z długim ogonem ciągnącym się za zwartym nosem, gdzie Słońce wciska się w przestrzeń międzygwiazdową. A może oddziaływanie między polem magnetycznym Słońca a ośrodkiem międzygwiazdowym tworzy bańkę w kształcie rogalika, z dwoma płatami odchodzącymi od naszej gwiazdy? Heliosfera może również mieć zupełnie inną formę, której naukowcy nawet jeszcze nie rozważali; brak pewności co do jej kształtu wynika z naszego ograniczonego widoku z Ziemi. „To tak, jakbyśmy byli złotą rybką próbującą mierzyć nasze akwarium od wewnątrz, a nie możemy nawet dotrzeć do ścian” – mówi Sarah Spitzer, fizyczka kosmiczna z Instytutu Naukowego Weizmanna w Rechowot w Izraelu.

Sondy Voyager przez przypadek stały się wyjątkami. Do 1989 roku zakończyły one swoją główną misję obserwacji planet, ale wciąż cieszyły się dobrym zdrowiem. NASA kontynuowała ich misję, aczkolwiek wyłączając instrumenty, które nie generowałyby interesujących danych planetarnych. Lata mijały, a Voyagery leciały coraz dalej, zbliżając się do ścian naszego kosmicznego akwarium.

Złote rybki nie pływają jednak bezczynnie. W 2008 roku NASA wystrzeliła sondę Interstellar Boundary Explorer IBEX. Krąży ona wokół Ziemi i pobiera próbki cząstek zwanych energetycznymi obojętnymi atomami, które napływają z brzegu heliosfery. Naukowcy mogą wykorzystać dokonywane przez IBEX pomiary właściwości tych cząstek do rekonstrukcji tego, co dzieje się daleko – miliardy kilometrów stąd.

Jednym z kluczowych osiągnięć IBEX jest odkrycie w heliosferze wstęgi energetycznych obojętnych atomów. Naukowcy uważają, że wstęga ta może być wynikiem odbijania się cząstek w heliosferze. Jednakże z powodu kosmicznego pecha sondy Voyager nie były w stanie bezpośrednio zbadać tej wstęgi: przeleciały po obu jej stronach. „Dokładnie pomiędzy nimi znajduje się największa, najbardziej wyrazista rzecz w zewnętrznej heliosferze” – mówi David McComas, fizyk kosmiczny z Princeton i główny badacz IBEX.

Ta właśnie sytuacja pokazuje ograniczenia lokalnych obserwacji czegoś tak wszechogarniającego, jak rozległa domena wpływów naszej gwiazdy. „Voyagery zrobiły coś w rodzaju biopsji heliosfery – mówi McComas. – Nie możemy nic powiedzieć o globalnej trójwymiarowej strukturze zewnętrznej heliosfery na podstawie tylko dwóch zestawów punktów”.

IBEX nadal prowadzi obserwacje, które trwają znacznie dłużej niż pierwotnie planowano. Statek kosmiczny zdołał zebrać dane z całego 11-letniego cyklu słonecznego, pozwalające badać reakcję heliosfery na aktywność Słońca. McComas ciężko pracuje również nad przygotowaniem kierowanej przez siebie misji, która ma wystartować jesienią tego roku. Określa on sondę IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe) jako „IBEX na sterydach”. Ma ona mieć takie same podstawowe zdolności, ale wyższą rozdzielczość, i ma wykonywać dodatkowe pomiary.

IMAP dotrze do miejsca, które naukowcy nazywają Punktem Lagrange’a 1, stabilnego punktu orbitalnego oddalonego od Ziemi w kierunku Słońca o około półtora miliona kilometrów. Przebywając na tym stanowisku, sonda wychwyci cząstki wielu rodzajów: te same energetyczne obojętne atomy, których wstęgę ujawnił IBEX; tzw. jony zbierające (pick-up ions), które powstają w ośrodku międzygwiazdowym jako atomy, zyskują ładunek w pobliżu Słońca i zawracają w kierunku heliopauzy; a także ziarna pyłu międzygwiazdowego – pozostałości po martwych gwiazdach – które zakradają się do Układu Słonecznego. W międzyczasie sonda będzie również obserwować pole magnetyczne Słońca i strukturę wiatru słonecznego, aby stwierdzić, dlaczego cząstki przemieszczają się w taki, a nie inny sposób. Dzięki tym maleńkim posłańcom naukowcy IMAP mają nadzieję stworzyć dokładniejszą mapę naszej heliosfery i ostrzejszy obraz tego, co znajduje się poza nią.

Inni naukowcy są zainteresowani prowadzeniem obserwacji bezpośrednio w tym obszarze. Kolejny statek kosmiczny jest już na dobrej drodze, by powtórzyć lot Voyagerów poza heliosferę: to misja NASA New Horizons, która w 2015 roku przemknęła obok Plutona. Statek kosmiczny zbadał planetę karłowatą (a w 2019 roku jeszcze bardziej odległy obiekt skalisty o nazwie Arrokoth) i zmierza do przekroczenia heliopauzy w ciągu najbliższych 10 lat. Badacze mają nadzieję, że jego instrumenty będą nadal działać, przygotowane na trzecią wyprawę ludzkości poza strefę wpływów Słońca.

Naukowcy zaprojektowali również niedoszłą misję, nazwaną Sondą Międzygwiazdową (Interstellar Probe), która, w przeciwieństwie do Voyagerów i New Horizons, byłaby specjalnie skrojona do badania zewnętrznych obszarów heliosfery i dalszych. Wykorzystałaby potężną rakietę do szybkiego opuszczenia Układu Słonecznego, zabierając ze sobą instrumenty do badania plazmy i pól magnetycznych, a nie planet. W idealnej sytuacji poleciałaby tak daleko, by móc spojrzeć za siebie i z daleka dostrzec tajemniczy kształt naszej heliosfery. W niedawno opublikowanym raporcie Decadal Survey, który nakreślił plany amerykańskiej heliofizyki na najbliższe dziesięciolecie, misja ta nie została jednak uznana za priorytetową, a jej odrzucenie zmniejszyło szanse amerykańskich naukowców, że w najbliższym czasie uda im się zbadać ośrodek międzygwiazdowy. (Naukowcy w Chinach mogą mieć więcej szczęścia, ponieważ kraj ten realizuje własną misję międzygwiazdową).

Na razie badacze utknęli, analizując sygnały wysyłane przez Voyagery. Pod pewnym względem jest to bogactwo informacji: około dwie dekady danych dotyczących granicy przestrzeni międzygwiazdowej i tego, co znajduje się poza nią, zebrane przez dwie sondy w dwóch różnych lokalizacjach. W uzyskanych wynikach można znaleźć wiele dziwactw, na przykład to, że jeden ze statków kosmicznych przekroczył szok końcowy pięć razy, być może dlatego, iż heliosfera wznosiła się i opadała, synchronizując się ze zmienną siłą wiatru słonecznego.

Ale obserwacje Voyagerów to zaledwie okruszki, intrygujące migawki z obszaru, który znajduje się prawie poza naszym zasięgiem – dokładnie ten rodzaj danych, który rodzi więcej pytań niż odpowiedzi. Dla przykładu, naukowcy spodziewali się, że pola magnetyczne heliosfery i przestrzeni międzygwiazdowej będą radykalnie różne, tymczasem sondy odkryły, że jest inaczej. W 2020 roku Voyager 1 natrafił na dziwny „front ciśnieniowy” – nagły wzrost natężenia pola magnetycznego, którego naukowcy nie potrafią wyjaśnić. Mimo że obie sondy kosmiczne już wiele lat temu przekroczyły heliopauzę, nadal rejestrują niewielkie ślady aktywności Słońca w materii, przez którą przelatują, poszerzając naszą wiedzę o tym, jak daleko sięga wpływ naszej gwiazdy.

I oczywiście Voyagery się starzeją. Są to zdecydowanie najdłużej monitorowane przez NASA statki kosmiczne, stworzone przez naukowców, którzy nie wyobrażali sobie, że misja może ich przeżyć. Sercem każdej sondy jest rdzeń jądrowy służący do zasilania instrumentów i komunikacji, ale działają one z około połową mocy, z którą wystartowały, i z każdym rokiem słabną. W ciągu ostatnich kilku lat Voyager 1 miał poważne problemy z komunikacją, a Voyager 2 na krótko zmienił orientację względem Ziemi i zerwał łączność. W tym momencie każda usterka może oznaczać koniec.

Jedno jest pewne: bez względu na to, kiedy misja Voyagerów dobiegnie końca, naukowcy będą chcieli uzyskać więcej danych z przestrzeni międzygwiazdowej. „Instrumenty zostaną wyłączone, zanim otrzymamy pełen obraz – mówi Opher. – Ale i tak przedłużanie misji Voyagerów jest bezcenne”.