A heliopauza, ahogy a Voyager–2 látta
(Rovat: Távoli világok kutatói, Amerika és az űrcsillagászat - 2019.11.26 07:15.)

A múlt században az óriásbolygókat kutató, immár a Naprendszerből kifelé tartó szonda egy éve haladt keresztül a heliopauzán.

A két Voyager szonda 1977-ben, néhány hét különbséggel indult az óriásbolygók felderítésére, kihasználva azok kedvező helyzetét. Mindkét szonda évtizedek óta kifelé tart a Naprendszerből, és ez még hosszú ideig így is marad. Az első lépést azonban már mindkét szonda megtette a „Naprendszerből kilépés” felé, ugyanis mindkettő elhagyta a napszél fenntartotta plazmabuborékot, az úgynevezett helioszférát, és áthaladt az annak határát alkotó heliopauzán. A kettő közül a Voyager–1 nagyobb sebességre gyorsult fel, így az már 2012-ben átlépte a határfelületet. Sajnos a szonda plazmaműszere akkor már nem működött, így a kutatók a többi műszer adataiból következtettek az eseményekre. Az eredmények nem voltak egyértelműek, különösen meglepő volt, hogy a várakozással ellentétben nem tapasztalták a mágneses tér hirtelen változását. Ezért is várták a szakemberek nagy érdeklődéssel a más irányba tartó Voyager–2 méréseit.

Hat évvel testvére után, tavaly novemberben a Voyager–2 is áthaladt a heliopauzán. A szonda összes, még működő műszerével méréseket végeztek, az eredményeket összefoglaló szakcikk a közelmúltban jelent meg a Nature Astronomy folyóiratban.

A helioszféra és a heliopauza elhelyezkedése, valamint a két Voyager szonda repülési iránya. Mindkét szonda a helioszféra orr-részénél lépte át – hat év különbséggel – a heliopauzát, de különböző irányokban folytatják útjukat kifelé a Naprendszerből. (Kép: NASA / JPL-Caltech)

Időközben a NASA 2008-ban elindította a Naprendszer határvidékének kutatására az IBEX műholdat, amely a Föld körül keringve, távolról próbálta felderíteni annak a térségnek a fizikai viszonyait, ahol később a Voyagerek helyszíni méréseket végeztek. Az IBEX méréseiből kiderült, hogy változatos jelenségek játszódnak le a helioszféra határán, az eredményekről korábbi cikkeinkben (itt és itt) számoltunk be. Legérdekesebb felfedezése annak bizonyítása volt, hogy a csillagközi térben mozgó Naprendszer (pontosabban helioszféra) mögött plazmacsóva alakul ki, kicsit hasonlóan ahhoz, ahogyan a mágneses térrel rendelkező bolygók mögött a Napszél „csóvát” hoz létre. Amint az ábráról látható, mindkét Voyager a csóva orr-része, vagyis a kialakuló lökéshullámfront felőli oldalon lépett ki a helioszférából, ami határozottabbá tette az átmenetet.

Amint arról korábbi cikkünkben írtunk, magát a Naprendszert egyik Voyager sem hagyta el, hiszen a mintegy 100 000 csillagászati egység távolságig nyúló Oort-felhő jeges égitestjei gravitációsan a Naphoz kötődnek, vagyis a Naprendszerhez tartoznak. A Voyagerek ennek a távolságnak az ezredrészénél léptek ki a helioszférából, amelynek belsejében a Naptól távolodva a részecskesűrűség a távolság négyzetével fordított arányban csökken. A helioszféra külső határvidékén a Voyager–2 mérései szerint az anyag hihetetlenül ritka, az elektronsűrűség csupán 0,002 részecske köbcentiméterenként. A részecskék energiája azonban nagy, így az elektrongáz (a részecskék átlagos mozgási energiájának megfelelő hőmérséklet alapján) rendkívül forrónak tekinthető. Ezzel szemben a heliopauza külső oldalán a csillagközi térhez tartozó anyag hidegebb és sűrűbb. Fontos tudni, hogy a határfelület, tehát a heliopauza nem stabil képződmény, hanem a naptevékenységtől függően „lélegzik”, erős naptevékenység idején kiterjed, a Nap nyugodt időszakaiban összehúzódik. Emiatt a Voyagerek mérései alapján sem lehet pontos képet alkotni a helioszféra kiterjedéséről, hiszen a méréseket két különböző időpontban (ráadásul mintegy fél naptevékenységi ciklus különbséggel, a Voyager–1 naptevékenységi maximumkor, a Voyager–2 viszont minimumkor) és két egymástól a térben távol lévő pontban végezték (a Voyager–1 a Nap egyenlítői síkjától északra, a Voyager–2 attól délre, és az ábrán látható módon eltérő irányokban hagyta el a helioszférát). Érdekes, hogy a két szonda a drasztikusan különböző naptevékenység ellenére lényegében a Naptól ugyanolyan távolságban (121,6, illetve 119 csillagászati egység) mérték az átmenetet. A modellek kalibrálására, és az általános kép megerősítésére természetesen alkalmasak a mérések. Mindenesetre a változások jellege mindkét mérési pontban a várakozásoknak megfelelő volt, a forró és ritka anyagú helioszférából a sűrűbb és hidegebb anyag alkotta csillagközi térbe átlépve a részecskesűrűség ugrásszerűen nőtt, a hőmérséklet pedig csökkent.

A részecskesűrűség a Naptól (csillagászati egységekben mért) távolság függvényében. A fekete pontok a Voyager–1, a pirosak a Voyager–2 méréseit ábrázolják. A logaritmikus beosztású függőleges tengelyről leolvasható, hogy a részecskesűrűség több mint egy nagyságrenddel változott, látható, hogy a változás milyen hirtelen következett be. A plazmaoszcillációkból származtatott elektronsűrűségeket a plazmahullám műszerrel (PWS) mérték, míg a plazmaműszer (PLS) az ezzel lényegében megegyező protonsűrűséget mérte. (Kép: Don Gurnett / University of Iowa)

A Voyager–2 fedélzetén öt műszerrel végeztek méréseket. A plazmaműszerrel megállapították, hogy a Naptól 119 csillagászati egység távolságban a részecskesűrűség 0,005 csillagászati egység (mintegy 750 ezer km) távolságon belül 20-szorosára nőtt. Hasonlóan hirtelen változást tapasztaltak a nagyenergiájú részecskék jellemző paramétereiben. Megállapították, hogy a napszélből származó, kis energiájú (>0,5 MeV) ionok hirtelen eltűntek, helyettük a régi és távoli szupernóva-robbanásokból eredő galaktikus kozmikus sugárzás részecskéi (>70 MeV) váltak dominánssá. Érdekes és fontos eredmény, hogy a Voyager–1-hez hasonlóan a másik szonda sem tapasztalta a mágneses tér várt, ugrásszerű változását. A kutatók tanácstalanok, a jelenség még magyarázatra szorul, annyi azonban bizonyos, hogy a két egybehangzó eredmény nem lehet a véletlen műve, valamilyen egyelőre ismeretlen fizikai folyamatnak kell szabályoznia a mágneses teret az átmeneti zónában. A sűrűségmérések tanúsága szerint mindkét űrszonda egy napnál rövidebb idő alatt haladt át a határrétegen. A határfelület bizonytalanságát mutatja az is, hogy a Voyager–1 a határréteg elérése előtt két helyen is találkozott a külső térből eredő részecskékkel, azaz a csillagközi tér „benyomult” a helioszférába. Érdekes módon a Voyager–2 esetében ezzel ellentétes folyamatot figyeltek meg, a határrétegen kívül is találtak a helioszférához tartozó részecskéket, tehát a helioszféra „kitüremkedett” a csillagközi térbe.

Bármily korlátozottak is a két szonda mérései, jól jelzik a heliopauza komplexitását. A Voyager–1 a heliopauza elérése előtt egy „stagnáló régiót” talált, ahol a részecskék sebessége közel nullára csökkent. Ezzel szemben a Voyager–2 nem tapasztalt semmi hasonlót, viszont a heliopauzán belül a határréteg többszörös struktúráját mérte ki. Mindkét szonda mérései alátámasztották, hogy a heliopauza külső oldalán egy legalább 10 csillagászati egység távolságig elnyúló határréteg található.

A Voyagerek folytatják útjukat, és évente mintegy 3 csillagászati egységgel kerülnek távolabb a Naptól. Eközben igyekeznek a lehető legtöbbet megtudni a csillagközi tér jellemzőiről, amire a szakemberek becslése szerint jó esetben még öt évük van, várhatóan akkorra merül le annyira a radioizotópos energiaforrásuk, hogy már nem tud a műszerek működtetéséhez és az adatok Földre sugárzásához elég energiát termelni. A következő 25 évben viszont nem számíthatunk a heliopauza környékén helyszíni mérésekre.