دانشمندان منطقه ای از فضای تحت تاثیر خورشید را هلیوسفر می نامند – اما بدون کاوشگر بین ستاره ای، چیز زیادی در مورد شکل آن نمی دانند

سارا اسپیتزر یک محقق در علوم و مهندسی آب و هوا و فضا در دانشگاه میشیگان است.

خورشید زمین را گرم می کند و آن را برای انسان ها و حیوانات قابل سکونت می کند. اما این تمام کاری نیست که انجام می دهد، و منطقه بسیار بزرگ تری از فضا را تحت تاثیر قرار می دهد. هلیوسفر، مساحتی از فضا که تحت تأثیر خورشید است، بیش از صد برابر بزرگتر از فاصله خورشید تا زمین است.

خورشید ستاره ای است که دائماً جریان ثابتی از پلاسما – گاز یونیزه بسیار پرانرژی – به نام باد خورشیدی ساطع می کند. علاوه بر باد خورشیدی ثابت، خورشید همچنین گهگاه فوران‌هایی از پلاسما به نام جهش جرم تاجی آزاد می‌کند که می‌تواند به شفق و انفجارهای نور و انرژی به نام شعله‌ها کمک کند.

پلاسمایی که از خورشید خارج می شود، همراه با میدان مغناطیسی خورشید در فضا منبسط می شود. آنها با هم هلیوسفر را در محیط بین ستاره ای محلی اطراف تشکیل می دهند – پلاسما، ذرات خنثی و غبار که فضای بین ستارگان و اخترکره های مربوط به آنها را پر می کند. هلیوفیزیکدانانی مانند من می خواهند هلیوسفر و نحوه تعامل آن با محیط بین ستاره ای را درک کنند.

هشت سیاره شناخته شده در منظومه شمسی، کمربند سیارکی بین مریخ و مشتری، و کمربند کویپر – گروهی از اجرام آسمانی فراتر از نپتون که شامل سیاره‌نمای پلوتو است – همگی در هلیوسفر قرار دارند. هلیوسفر به قدری بزرگ است که اجرام در کمربند کویپر به دور خورشید نزدیکتر از نزدیکترین مرز هلیوسفر می گردند.

حفاظت از هلیوسفر

همانطور که ستارگان دور منفجر می شوند، مقادیر زیادی تابش را به شکل ذرات بسیار پرانرژی به نام پرتوهای کیهانی به فضای بین ستاره ای می ریزند. این پرتوهای کیهانی می تواند برای موجودات زنده خطرناک باشد و به دستگاه های الکترونیکی و فضاپیماها آسیب برساند.

اتمسفر زمین از حیات روی این سیاره در برابر اثرات تشعشعات کیهانی محافظت می کند، اما حتی قبل از آن، خود هلیوسفر به عنوان سپر کیهانی در برابر بیشتر تابش های بین ستاره ای عمل می کند.

علاوه بر تابش کیهانی، ذرات خنثی و غبار به طور پیوسته از محیط بین ستاره‌ای محلی به هلیوسفر جریان می‌یابند. این ذرات می توانند فضای اطراف زمین را تحت تاثیر قرار دهند و حتی ممکن است نحوه رسیدن باد خورشیدی به زمین را تغییر دهند.

ابرنواخترها و محیط بین ستاره‌ای نیز ممکن است بر منشأ حیات و تکامل انسان‌ها روی زمین تأثیر گذاشته باشند. برخی از محققان پیش‌بینی می‌کنند که میلیون‌ها سال پیش، هلیوسفر با یک ابر ذره‌ای سرد و متراکم در محیط بین ستاره‌ای تماس پیدا کرد که باعث کوچک شدن هلیوسفر شد و زمین را در معرض محیط بین‌ستاره‌ای محلی قرار داد.

یک شکل ناشناخته

اما دانشمندان واقعاً نمی دانند شکل هلیوسفر چیست. مدل‌ها از شکل کروی گرفته تا دنباله‌دار تا کروسان شکل متفاوت هستند. اندازه این پیش بینی ها صدها تا هزاران برابر فاصله خورشید تا زمین متفاوت است.

با این حال، دانشمندان جهت حرکت خورشید را به عنوان جهت ‘بینی’ و جهت مخالف را به عنوان جهت ‘دم’ تعریف کرده اند. جهت بینی باید کمترین فاصله را تا هلیوپوز داشته باشد – مرز بین هلیوسفر و محیط بین ستاره ای محلی.

هیچ کاوشگری تا به حال نگاه خوبی به هلیوسفر از بیرون نداشته است یا به درستی از محیط بین ستاره ای محلی نمونه برداری نکرده است. انجام این کار می تواند اطلاعات بیشتری در مورد شکل هلیوسفر و تعامل آن با محیط بین ستاره ای محلی، محیط فضایی فراتر از هلیوسفر به دانشمندان بدهد.

عبور از هلیوپوز با وویجر

در سال ۱۹۷۷، ناسا مأموریت وویجر را پرتاب کرد: دو فضاپیمای آن از کنار مشتری، زحل، اورانوس و نپتون در منظومه شمسی بیرونی عبور کردند. دانشمندان مشخص کرده اند که پس از رصد این غول های گازی، کاوشگرها به ترتیب در سال های ۲۰۱۲ و ۲۰۱۸ به طور جداگانه از هلیوپوز عبور کرده و وارد فضای بین ستاره ای شده اند.

در حالی که وویجر ۱ و ۲ تنها کاوشگرهایی هستند که به طور بالقوه از هلیوپوز عبور کرده اند، آنها بسیار فراتر از طول عمر ماموریت مورد نظر خود هستند. آنها دیگر نمی توانند داده های لازم را برگردانند زیرا ابزار آنها به آرامی از کار می افتد یا خاموش می شود.

این فضاپیماها برای مطالعه سیارات طراحی شده اند، نه محیط بین ستاره ای. این بدان معناست که آنها ابزار مناسبی برای اندازه گیری تمام اندازه گیری های محیط بین ستاره ای یا هلیوسفر مورد نیاز دانشمندان ندارند.

اینجاست که یک ماموریت بالقوه کاوشگر بین ستاره ای می تواند وارد شود. کاوشگری که برای پرواز فراتر از هلیوپوز طراحی شده است به دانشمندان کمک می کند تا با مشاهده هلیوسفر از بیرون آن را درک کنند.

یک کاوشگر بین ستاره ای

از آنجایی که هلیوسفر بسیار بزرگ است، یک کاوشگر چندین دهه طول می کشد تا به مرز برسد، حتی با استفاده از کمک گرانشی سیاره ای عظیم مانند مشتری.

فضاپیمای وویجر دیگر قادر نخواهد بود تا مدت ها قبل از خروج یک کاوشگر بین ستاره ای از هلیوسفر، داده هایی را از فضای بین ستاره ای ارائه دهد. و هنگامی که کاوشگر پرتاب شود، بسته به مسیر، حدود ۵۰ سال یا بیشتر طول می کشد تا به محیط بین ستاره ای برسد. این به این معنی است که هر چه ناسا برای پرتاب یک کاوشگر بیشتر منتظر بماند، دانشمندان برای مدت طولانی تری بدون هیچ ماموریتی در هلیوسفر بیرونی یا محیط بین ستاره ای محلی باقی خواهند ماند.

ناسا در حال بررسی توسعه یک کاوشگر بین ستاره ای است. این کاوشگر میدان های پلاسما و مغناطیسی را در محیط بین ستاره ای اندازه گیری می کند و هلیوسفر را از بیرون تصویر می کند. برای آماده سازی، ناسا از بیش از ۱۰۰۰ دانشمند در مورد مفهوم ماموریت درخواست کرد.

گزارش اولیه سفر کاوشگر را در مسیری که حدود ۴۵ درجه از جهت دماغه هلیوسفر فاصله دارد، توصیه کرد. این مسیر بخشی از مسیر وویجر را دوباره طی می‌کند و در عین حال به مناطق جدیدی از فضا می‌رسد. به این ترتیب، دانشمندان می توانند مناطق جدید را مطالعه کنند و برخی از مناطق تا حدی شناخته شده از فضا را دوباره بررسی کنند.

این مسیر تنها یک نمای نیمه زاویه‌دار از هلیوسفر را به کاوشگر می‌دهد و نمی‌تواند دم هلیوسفر را ببیند، چیزی که دانشمندان کمترین چیزی را در مورد آن می‌دانند.

در دم هلیو، دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که پلاسمای تشکیل‌دهنده هلیوسفر با پلاسمای تشکیل‌دهنده محیط بین‌ستاره‌ای مخلوط می‌شود. این امر از طریق فرآیندی به نام اتصال مجدد مغناطیسی اتفاق می‌افتد که به ذرات باردار اجازه می‌دهد از محیط بین‌ستاره‌ای محلی به هلیوسفر جریان یابند. درست مانند ذرات خنثی که از طریق بینی وارد می شوند، این ذرات بر محیط فضایی درون هلیوسفر تأثیر می گذارند.

اما در این حالت، ذرات دارای بار هستند و می توانند با میدان های مغناطیسی خورشیدی و سیاره ای تعامل داشته باشند. در حالی که این فعل و انفعالات در مرزهای هلیوسفر، بسیار دور از زمین رخ می دهد، بر ساختار درونی هلیوسفر تأثیر می گذارد.

در مطالعه جدیدی که در Frontiers in Astronomy and Space Sciences منتشر شده است، من و همکارانم شش جهت پرتاب احتمالی از دماغه تا دم را ارزیابی کردیم. ما متوجه شدیم که به‌جای خروج نزدیک به جهت دماغه، مسیری که جناح هلیوسفر را به سمت دم قطع می‌کند، بهترین دیدگاه را از شکل هلیوسفر ارائه می‌کند.

یک مسیر در امتداد این مسیر فرصتی منحصر به فرد برای دانشمندان فراهم می کند تا منطقه کاملاً جدیدی از فضا را در هلیوسفر مطالعه کنند. هنگامی که کاوشگر از هلیوسفر به فضای بین ستاره‌ای خارج می‌شود، دیدی از هلیوسفر از بیرون با زاویه‌ای دریافت می‌کند که به دانشمندان ایده دقیق‌تری از شکل آن – به‌ویژه در ناحیه دم مورد مناقشه – می‌دهد.

در پایان، هر جهتی که یک کاوشگر بین‌ستاره‌ای پرتاب شود، علمی که به دست می‌دهد بسیار ارزشمند و به معنای واقعی کلمه نجومی خواهد بود.

این مقاله در ابتدا در The Conversation منتشر شد.