هیچ کاوشگری تا به حال دید مناسبی را از بیرون به هلیوسفر نداشته یا نتوانسته است به درستی از محیط میان‌ستاره‌ای محلی نمونه‌برداری کند. دانشمندان سعی دارند راه جدیدی را برای بررسی هلیوسفر و نوع تعامل آن با محیط میان‌ستاره‌ای محلی بیابند؛ در همین راستا ناسا قصد دارد یک کاوشگر منحصر به فرد را برای این کار ارائه دهد.
خورشید با گرم کردن زمین، آن را برای انسان‌ها و حیوان‌ها قابل سکونت می‌کند، اما این تنها کار خورشید نیست و منطقه بسیار بزرگتری از فضا نیز تحت تاثیر آن قرار دارد، مثل لایه‌ای از فضا به نام هلیوسفر (Heliosphere) که بیش از ۱۰۰ برابر بزرگتر از فاصله خورشید تا زمین است.
هلیوسفر
خورشید یک ستاره است که دائما جریان ثابتی از پلاسما (باد خورشیدی) را از خود ساطع می‌کند، علاوه بر آن، خورشید گهگاه فوران‌هایی از پلاسما را انتشار می‌دهد که «خروج جرم از تاج» نام دارد و می‌توانند شفق و انفجارهای نور و انرژی موسوم به «شراره‌های خورشیدی» را ایجاد کنند.
پلاسما و میدان مغناطیسی خورشید در فضا منبسط و به همراه یکدیگر هلیوسفر را در محیط میان‌ستاره‌ای محلی اطراف تشکیل می‌دهند؛ هشت سیاره شناخته‌شده در منظومه شمسی، کمربند سیارکی بین مریخ و مشتری و کمربند کویپر از اجرام آسمانی فرانپتونی هستند که همگی در هلیوسفر قرار دارند.
تاثیر هلیوسفر بر زمین
هنگام انفجار ستاره‌های دور، مقادیر زیادی از تابش به شکل ذرات پرانرژی موسوم به پرتوهای کیهانی (Cosmic Rays) به فضای میان‌ستاره‌ای می‌ریزند که می‌توانند برای موجودات زنده خطرناک باشند و به دستگاه‌های الکترونیکی و فضاپیماها آسیب برسانند.
اتمسفر زمین و حتی پیش از آن، خود هلیوسفر به عنوان یک سپر کیهانی از حیات روی این سیاره در برابر اثر تابش‌های میان‌ستاره‌ای محافظت می‌کنند. علاوه بر تابش کیهانی، ذرات خنثی و غبار نیز به طور پیوسته از محیط میان‌ستاره‌ای محلی به هلیوسفر جریان می‌یابند که می‌توانند بر فضای اطراف زمین و حتی نحوه رسیدن باد خورشیدی به زمین تاثیر بگذارند.
ابرنواخترها و محیط میان‌ستاره‌ای نیز ممکن است بر منشا حیات و تکامل انسان‌ها روی زمین تاثیر گذاشته باشند. برخی از پژوهشگران معتقدند که میلیون‌ها سال پیش، تماس هلیوسفر با یک ابر متشکل از ذرات سرد و متراکم در محیط میان‌ستاره‌ای باعث کوچک شدن هلیوسفر شده و زمین را در معرض محیط میان‌ستاره‌ای محلی قرار داده است.
شکل نامشخص هلیوسفر
با وجود این اطلاعات، شکل واقعی هلیوسفر برای دانشمندان هنوز مشخص نیست. مدل‌های رایانه‌ای هلیوسفر از شکل کروی تا دنباله‌دار و نان کروسان در اندازه‌های متفاوت هستند.
دانشمندان جهت حرکت خورشید را به عنوان جهت «بینی» که احتمالا دارای کمترین فاصله تا هلیوپاز (Heliopause) که مرزی بین هلیوسفر و محیط میان‌ستاره‌ای محلی است و جهت مخالف را به عنوان جهت «دم» تعریف کرده‌اند.
عبور از هلیوپاز با کاوشگر وویجر
در سال ۱۹۷۷، ناسا ماموریت وویجر (Voyager) را پرتاب کرد که دو فضاپیمای آن از کنار مشتری، زحل، اورانوس و نپتون گذشتند. دانشمندان دریافته‌اند که پس از رصد این غول‌های گازی، کاوشگرها به ترتیب در سال‌های ۲۰۱۲ و ۲۰۱۸ به طور جداگانه از هلیوپاز عبور کردند و به فضای میان‌ستاره‌ای وارد شدند.
اگرچه وویجر ۱ و ۲ تنها کاوشگرهایی هستند که احتمالا از هلیوپاز گذشته‌اند و بسیار فراتر از طول عمر ماموریت مورد نظر خود عمل کرده‌اند، اما دیگر قادر به ارسال داده‌های مورد نیاز به زمین نیستند؛ زیرا تجهیزات آن‌ها در حال از کار افتادن یا خاموش شدن هستند.
این فضاپیماها برای مطالعه کردن سیاره‌ها طراحی شده‌اند و تجهیزات مناسبی را برای بررسی محیط میان‌ستاره‌ای یا هلیوسفر ندارند؛ اینجاست که یک کاوشگر میان‌ستاره‌ای که برای پرواز فراتر از هلیوپاز طراحی شده، می‌تواند وارد شود تا به دانشمندان در مشاهده و درک هلیوسفر از بیرون آن کمک کنند.
کاوشگر میان‌ستاره‌ای
به سبب وسعت هلیوسفر، چندین دهه طول می‌کشد تا یک کاوشگر حتی با کمک گرانش یک سیاره بزرگ مانند مشتری به مرز آن برسد. پس از پرتاب کاوشگر بسته به مسیر آن حدود ۵۰ سال یا بیشتر طول می‌کشد تا به محیط میان‌ستاره‌ای برسد.
در نتیجه فضاپیمای وویجر دیگر قادر نخواهد بود تا مدت‌ها داده‌هایی را از فضای میان‌ستاره‌ای ارائه دهد؛ یعنی هرچه ناسا برای پرتاب یک کاوشگر تعلل کند، دانشمندان برای مدت طولانی‌تری بدون هیچ ماموریتی در هلیوسفر بیرونی یا محیط میان‌ستاره‌ای محلی باقی خواهند ماند.
ناسا در حال بررسی امکان توسعه یک کاوشگر میان‌ستاره‌ای است که میدان‌های پلاسما و مغناطیسی را در محیط میان‌ستاره‌ای بررسی می‌کند و هلیوسفر را از بیرون به تصویر می‌کشد. برای آماده‌سازی کاوشگر، ناسا به بیش از هزار دانشمند به منظور طراحی مفهوم ماموریت درخواست همکاری کرد.
در مسیری که حدود ۴۵ درجه از جهت بینی هلیوسفر فاصله دارد، کاوشگر دوباره بخشی از مسیر وویجر را طی می‌کند و به مناطق جدیدی از فضا می‌رسد. بدین ترتیب، دانشمندان می‌توانند ضمن بررسی مناطق جدید، برخی از مناطق فضا را که تا حدی شناخته‌شده هستند، دوباره مورد بررسی قرار دهند. این مسیر فقط یک نمای نیمه‌زاویه‌دار را از هلیوسفر به کاوشگر می‌دهد و نمی‌تواند دم هلیوسفر را ببیند. این همان قسمتی است که دانشمندان کمترین اطلاعات را درباره آن دارند.
دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که در دم هلیوسفر، پلاسمای تشکیل‌دهنده هلیوسفر با پلاسمای تشکیل‌دهنده محیط میان‌ستاره‌ای مخلوط می‌شود. این امر از طریق فرآیندی به نام «اتصال مجدد مغناطیسی» اتفاق می‌افتد که به ذرات باردار اجازه می‌دهد از محیط میان‌ستاره‌ای محلی به هلیوسفر جریان یابند. درست مانند ذرات خنثی که از طریق جهت بینی وارد می‌شوند و بر محیط درون هلیوسفر تاثیر می‌گذارند.
در این حالت، ذرات دارای بار هستند و می‌توانند با میدان مغناطیسی خورشیدی و سیاره‌ای تعامل داشته باشند. اگرچه این تعامل در مرزهای هلیوسفر و بسیار دور از زمین رخ می‌دهد، اما بر ساختار درونی هلیوسفر تاثیر می‌گذارد.
سارا اسپیتزر (Sarah Spitzer)، پژوهشگر دانشگاه میشیگان (University of Michigan به اختصار UMich) و همکارانش در یک پژوهش جدید، ۶ جهت پرتاب احتمالی را از بینی تا دم هلیوسفر ارزیابی کردند و متوجه شدند که به جای خروج نزدیک به جهت بینی، مسیر پرتاب به سمت دم می‌تواند بهترین دیدگاه را درباره شکل هلیوسفر ارائه دهد.
یک مسیر دیگر در امتداد این مسیر، فرصت مطالعه منطقه کاملا جدیدی از فضا را در هلیوسفر برای دانشمندان فراهم می‌آورد. هنگامی که کاوشگر از هلیوسفر به فضای میان‌ستاره‌ای می‌رود، منظره‌ای را از هلیوسفر از بیرون با زاویه‌ای دریافت می‌کند که ایده دقیق‌تری را درباره شکل آن به ویژه در قسمت دم به دانشمندان می‌دهد.
در پایان، هر جهتی که یک کاوشگر میان‌ستاره‌ای به آن پرتاب شود، اطلاعات علمی بسیار ارزشمند و به معنای واقعی کلمه نجومی را ارائه خواهد داد.