حماسه میان‌ستاره‌ای؛ کاوشگرهای وویجر چگونه مرزهای کاوش فضا را درنوردیده‌اند؟

با وجود قدمت چند هزار ساله‌ی چشم دوختن بشر به ستاره‌ها و چند دهه‌ پرتاب کاوشگر برای اکتشاف در جهان اطراف، تنها دو فضاپیمای حامل ابزار توانسته‌اند از حباب فضایی اطراف خورشید ما بگریزند. دوقلوهای وویجر در سال 1977 درجریان یک تور حماسی برای بازدید از سیاره‌های خارجی منظومه شمسی پرتاب شدند. هر دو کاوشگر از مشتری و زحل عبور کردند؛ اما وویجر 2 بازدید از اورانوس و نپتون را نیز در برنامه‌ی خود داشت.

به گزارش زومیت، دو کاوشگر وویجر از آن زمان تاکنون به سمت بیرون منظومه‌ شمسی حرکت کردند و تعداد زیادی از ابزارهایشان با وجود چالش‌هایی مثل فناوری قدیمی و کاهش منابع تغذیه به مشاهدات خود ادامه دادند. در 16 دسامبر 2004، وویجر 1 به منطقه‌ی شوک پایانی رسید که آغازی بر انتقال چندساله‌ی آن به فضای میان‌ستاره‌ای بود.

وویجر 2 در سال 2007 از این منطقه عبور کرد. در سال‌های بعد، این فضاپیماها تنها وسیله‌ی بشر برای چشیدن طعم فضای خارج از حباب خورشید بودند؛ منطقه‌ای که دانشمندان آن را هلیوسفر می‌‌نامند. مراو اوفر، فیزیکدان دانشگاه بوستون می‌گوید: «اکنون می‌دانیم که چقدر اطلاعات کمی درباره‌‌ی هلیوسفر داریم. این فضا بسیار پیچیده‌تر و پویاتر از آن‌ چیزی است که تصور می‌کردیم.»

آنچه دانشمندان می‌دانند، از این قرار است: ما زمینی‌ها ممکن است خورشید را صرفا به عنوان یک توپ نورانی فشرده و دوردست در نظر بگیریم؛ زیرا جو زمین از ما در برابر بدترین خطرهای این ستاره محافظت می‌کند؛ اما در حقیقت خورشید توده‌ای متلاطم از پلاسما و مغناطیس است که پرتوهای آن تا میلیاردها کیلومتر به شکل باد خورشیدی یا جریان ثابتی از پلاسمای باردار که از خورشید جاری می‌شود، گسترش می‌یابد.

میدان مغناطیسی خورشید با باد خورشیدی حرکت می‌کند و همچنین بر فضای بین سیاره‌ها تأثیر می‌گذارد. هلیوسفر در واکنش به تغییرات در سطوح فعالیت خورشید در طول یک چرخه 11 ساله رشد می‌کند و کوچک می‌شود. جیمی رانکین، فیزیکدان دانشگاه پرینستون و معاون پروژه وویجر می‌گوید:

 

برآمدگی‌های چشمگیر 11 ساله، بیشینه و کمینه‌ها، قعرها و قله‌ها را در کل هلیوسفر می‌بینید. هر کدام از اندازه‌گیری‌های ما تا به امروز تا زمان عبور وویجرها از هلیوسفر، در تمام لایه‌های مختلف خورشید فیلتر شده‌اند.

وویجرها در سفرشان به فضای میان‌ستاره‌ای باید از مجموعه‌ای از مرزها عبور می‌کردند: در ابتدا یک شوک پایانی که حدود 11 یا 12 میلیارد کیلومتر دورتر از خورشید است و باد خورشیدی در این منطقه به صورت ناگهانی شروع به کاهش می‌کند. منطقه‌ی بعدی هلیوپوز است؛ جایی که فشار بیرونی باد خورشیدی با فشار درونی محیط میان‌ستاره‌ای موازنه می‌شود. بین این دو مرز، منطقه‌ی هلیوزهیت قرار داد. در این بخش مواد خورشیدی به کندشدن ادامه داده و حتی تغییر جهت می‌دهند. سفر وویجر 1 از میان این مرزها تقریبا هشت سال به طول انجامید.

در آن سوی هلیوپوز، فضای میان‌ستاره‌ای قرار دارد که وویجر 1 در سال 2012 و وویجر 2 در سال 2018 وارد آن شدند. فضای میان‌ستاره‌ای محیطی بسیار متفاوت با محیط داخل هلیوسفر است. به گفته‌ی رانکین این فضا بازمانده‌ی محیطی است که منظومه شمسی از آن متولد شد. درون آن تکه‌های اتمی پرانرژی موسوم به پرتوهای کیهانی کهکشانی و همچنین گرد و غباری که توسط ستارگان در حال مرگ طی دوره‌های مختلف جهان دفع شده‌اند وجود دارند.

دانشمندان هنوز نمی‌دانند شکل واقعی هلیوسفر چگونه است. شکل هلیوسفر ممکن است شبیه دنباله‌دار با دمی بلند و دماغه‌ای فشرده باشد که در آن خورشید به فضای میان‌ستاره‌ای فشار می‌آورد. یا شاید فعل و انفعال بین میدان مغناطیسی خورشید و محیط میان‌ستاره‌ای حباب را به شکل کروسان درآورد.

هلیوسفر همچنین ممکن است شکل دیگری داشته باشد که دانشمندان هنوز به آن فکر نکرده‌اند؛ چرا که از زاویه‌ی محدود زمینی ما رسیدن به اطمینان در این باره دشوار است. سارا اسپیتزر، فیزیکدان فضایی در موسسه علوم وایزمن، می‌گوید:

 

مثل این است که در حال تلاش برای اندازه‌گیری تنگ ماهی قرمز از داخل آن باشیم و حتی نمی‌توانیم به لبه‌های آن برسیم.

کاوشگرهای وویجر تنها ابزارهای منحصربه‌فرد برای غلبه بر چالش شناخت تنگ از درون آن هستند. آن‌ها تا به امروز تنها چشم‌اندازهای نزدیک موجود از اورانوس و نپتون را ارائه کرده‌اند. این مشاهدات تا سال 1989 کامل شدند؛ در آن زمان کاوشگرها در وضعیت خوبی به سر می‌بردند از این رو ناسا مأموریت آن‌ها را ادامه داد گرچه برخی ابزارها را خاموش کرد که بدون وجود سیاره‌ها داده‌های مفیدی را تولید نمی‌کردند. سال‌ها گذشت و وویجرها به سمت بیرون منظومه شمسی و به سمت دیواره‌های تنگ ماهی قرمز کیهانی ما شنا کردند.

اما ماهی قرمز بیکار ننشسته است. در سال 2008، ناسا کاوشگر مرز میان‌ستاره‌ای (IBEX) را پرتاب کرد که به دور زمین می‌چرخد و از ذراتی به نام اتم‌های خنثی پر‌انرژی که از لبه هلیوسفر به داخل جریان می‌یابند، نمونه‌برداری می‌کند. دانشمندان می‌توانند از اندازه‌گیری‌های IBEX از این ذرات برای بازسازی برخی اتفاقاتی که در دوردست‌ها یعنی میلیاردها کیلومتر در حال وقوع هستند، استفاده کنند.

از جمله دستاوردهای کلیدی IBEX می‌توان به کشف نواری از اتم‌های خنثی پرانرژی اشاره کرد که روی هلیوزهیت گسترده شده‌اند. دانشمندان فکر می‌کنند که این روبان ممکن است حاصل ذراتی باشد که به داخل و خارج هلیوسفر نوسان می‌کنند؛ اما به خاطر بدشانسی کیهانی، کاوشگرهای وویجر نتوانستند به‌طور مستقیم روبان IBEX را مطالعه کنند و از دو طرف آن عبور کردند. این دقیقا همان موقعیتی است که محدودیت‌های تکیه بر مشاهدات محلی از چیزی به گستردگی حباب وسیع تحت‌تاثیر ستاره ما را نشان می‌دهد.

فضاپیمای IBEX هنوز در حال فعالیت است و بسیار بیشتر از آنچه در ابتدا برنامه‌ریزی شده بود، دوام آورده است. این فضاپیما موفق شد در طول یک چرخه کامل 11 ساله خورشیدی اطلاعات جمع‌آوری و واکنش هلیوسفر به فعالیت خورشیدی را رصد کند. از سویی دیوید مک‌کوماس، فیزیکدان دانشگاه پرینستون، سخت در حال کار روی مأموریت دیگری است که کاوشگر آن سال آینده آماده‌ی پرتاب خواهد شد.

او مأموریت کاوشگر شتاب و نقشه‌برداری میان‌ستاره‌ای (IMAP) را به عنوان نسخه‌ای قوی‌تر از IBEX توصیف می‌کند که همان قابلیت‌های اساسی را دارد، با این تفاوت که از وضوح بالاتر و اندازه‌گیری‌های دیگر مثل تجزیه و تحلیل دانه‌های غبار میان‌ستاره‌ای (بقایای ستاره‌های مرده) که به شکلی مخفیانه وارد منظومه شمسی می‌شوند، برخوردار است.

در همین حین، دانشمندان دیگر در حال برنامه‌ریزی برای جمع‌آوری مشاهدات بیشتر از منطقه میان‌ستاره‌ای به روش مستقیم هستند. یک فضاپیمای دیگر مسیر وویجرها را دنبال می‌کند: کاوشگر نیوهورایزنز ناسا که در سال 2015 از کنار پلوتو عبور کرد. این فضاپیما پس از بررسی سیاره‌ کوتوله پلوتو و همچنین جرم سنگی دورتری به نام آروکات (آلتیما تولی سابق) در سال 2019، احتمالا تا یک دهه آینده از هلیوپوز عبور خواهد کرد. دانشمندان امیدوارند که ابزارهای این فضاپیما همچنان به کار خود ادامه دهند تا برای سومین سفر خورشیدی فراتر از محدوده‌ی ‌تحت‌تأثیر خورشید آماده باشد.

دانشمندان همچنین یک مأموریت بالقوه به نام کاوشگر میان‌ستاره‌ای را طراحی کرده‌اند که برخلاف وویجر و نیوهورایزنز، برای دریافت داده از بخش‌های بیرونی هلیوسفر و فراتر از آن طراحی شده است. در این مأموریت از موشکی عظیم برای خروج سریع از منظومه شمسی استفاده می‌شود.

این کاوشگر ابزارهایی را حمل می‌کند که برای بررسی میدان‌های پلاسما و مغناطیسی به جای اجسام سنگی طراحی شده‌اند و به طور ایده‌آل به فاصله‌ای دور سفر می‌کند تا به عقب نگاه کند و شکل گیج‌کننده‌ی هلیوسفر را از آن فاصله تشخیص دهد. بااین‌حال این مأموریت در اولویت بررسی ده‌ساله که اخیرا منتشر شده است، قرار ندارد.

در حال حاضر، دانشمندان همچنان در حال بررسی سیگنال‌هایی هستند که از وویجرها دریافت می‌شوند. از برخی جهات، این سیگنال‌ها دربردارنده‌ی انبوهی از اطلاعات هستند؛ داده‌های دو دهه درمورد مرز فضای میان‌ستاره‌ای و آنچه در آن سوی کاوشگرها در دو موقعیت مختلف وجود دارد. داده‌های دریافتی سرشار از نکات عجیب و غریب هستند. برای مثال ظاهرا یکی از فضاپیماها پنج مرتبه از منطقه‌ی شوک پایانی عبور کرده است.

دلیل این مسئله می‌تواند حرکت درونی و بیرونی هلیوسفر همگام با نوسان بادهای خورشیدی باشد؛ اما مشاهدات وویجرها از دور، نگاه مختصر و وسوسه‌انگیزی به منطقه‌ای تقریبا دور از دسترس به شمار می‌روند. این نوع داده‌ها بیشتر سؤال ایجاد می‌کنند تا پاسخ.

یک چیز مسلم است: مهم نیست که مأموریت وویجرها چه زمانی پایان می‌رسد، بلکه این کاوشگرها باعث می‌شوند کنجکاوی و عطش دانشمندان درباره‌ی فضای میان‌ستاره‌ای افزایش یابد.