کاوشگرهای وویجر چگونه مرزهای کاوش فضا را درنوردیدهاند؟

با وجود قدمت چند هزار ساله چشم دوختن بشر به ستارهها و چند دهه پرتاب کاوشگر برای اکتشاف در جهان اطراف، تنها دو فضاپیمای وویجر ۱ و وویجر ۲ موفق به خروج از حباب خورشید شدهاند؛ هر دو فضاپیما از کنار سیارههای مشتری و زحل گذشتند، اما وویجر ۲ به بازدید از اورانوس و نپتون نیز پرداخت؛ آنها همچنان به بررسی بخشهای دور دستتر فضا ادامه میدهند.
موفقیتهای فضاپیمای وویجر ۱ و وویجر ۲
دو کاوشگر وویجر (Voyager) از آن زمان تاکنون به سمت بیرون منظومه شمسی حرکت کردند و به فضای بینستارهای وارد شدهاند؛ این دو کاوشگر علیرغم چالشهایی مثل فناوری قدیمی و کاهش منابع تغذیه به مشاهدات خود ادامه دادند. وویجر ۱ در تاریخ ۱۶دسامبر۲۰۰۴ به آخرین ناحیه شوک رسید تا سفر چند ساله آن به فضای بینستارهای آغاز شود. وویجر ۲ نیز در سال ۲۰۰۷ از این منطقه عبور کرد.

این فضاپیماها تنها وسیله بشر برای درک فضای خارج از حباب خورشیدی (هلیوسفر) بودند که توسط ناسا در سال ۱۹۷۷ راهی فضا شدند تا بشر بتواند به بخشهایی از این فضا دسترسی پیدا کند و تحقیقات بیشتری در مورد رفتار و ویژگیهای آن را انجام دهد.
کاوشگرهای وویجر تنها فضاپیماهایی هستند که به نزدیکترین دیدها از سیارههای اورانوس و نپتون دست یافتهاند؛ این مشاهدات تاکنون تنها دادههای نزدیکنما از این دو سیاره را ارائه کرده و تا سال ۱۹۸۹ به پایان رسیدند؛ پس از آن، ناسا به ماموریت این کاوشگرها ادامه داد، هرچند برخی از ابزارها خاموش شدند.
ویجر ۱ در اوت۲۰۱۲ از هلیوپاز (Heliopause) عبور کرد و ویجر ۲ نیز در نوامبر۲۰۱۸ از بخش دیگری از هلیوپاوز (مرز هلیوسفر) عبور کرد. این دو فضاپیما پیشرفتهای مهمی در شناخت مرزهای منظومه شمسی و فضای بینستارهای ارائه دادند.
سفر وویجرها به فضاهای بینستارهای شامل عبور از مرزهای مختلفی است؛ یکی از این مرزها، با نام شوک پایانی، در فاصله ۱۱ تا ۱۲ میلیارد کیلومتری از خورشید قرار دارد و باد خورشیدی در این منطقه به صورت ناگهانی شروع به کاهش میکند؛ پس از آن، وویجرها به هلیوپاز میرسند که مرز نهایی تاثیر خورشید میباشد و فشار بیرونی باد خورشیدی با فشار درونی محیط بینستارهای در این منطقه موازنه میشود.
ویجر ۱ در دسامبر۲۰۰۴ این مرز را رد کرده و به هلیوزهیت (Heliosheath) وارد شد که در آن مواد خورشیدی، سرعت را کاهش و تغییر جهت میدهند. سفر وویجر ۱ از میان این مرزها تقریبا هشت سال به طول انجامید.
دانشمندان در حال تحلیل سیگنالهای دریافتی از فضاپیمایهای وویجر هستند؛ این سیگنالها اطلاعات زیادی درباره مرز فضا بینستارهای و آنچه فراتر از آن وجود دارد، ارائه میدهند. دادههای دریافتی حاوی عجایب و نکات کلیدی هستند که در دو دهه گذشته جمعآوری شدهاند و نحوه تعامل هلیوسفر با بادهای بینستارهای را نشان میدهند.
برای مثال ظاهرا یکی از فضاپیماها پنج مرتبه از منطقه شوک پایانی عبور کرده است. دلیل این مسئله میتواند حرکت درونی و بیرونی هلیوسفر همگام با نوسان بادهای خورشیدی باشد. مشاهدات و دادههای وویجر از ناحیهای دوردست در هلیوسفر نشان میدهد که نوسانات میدانهای خورشیدی و داخلی میتواند باعث برخورد فضاپیما با نواحی مختلف شوکهای نهایی شود.
فضای بینستارهای که ویجر ۱ در سال ۲۰۱۲ و ویجر ۲ در سال ۲۰۱۸ وارد آن شدند، محیطی بسیار متفاوت از داخل هلیوسفر است؛ در این فضا، ذرات اتمی پرانرژی معروف به پرتوهای کیهانی و گرد و غبار ناشی از ستارههای در حال مرگ وجود دارد؛ این فضا به عنوان باقی ماندهای از محیطی میباشد که سامانه خورشیدی از آن متولد شد.
محیط بینستارهای در کهکشان راه شیری در مناطق مختلفی از بازوهای مارپیچی آن متغیرند و مناطق با چگالی بالا و پایین را شامل میشود. خورشید و حبابی که ایجاد میکند به آرامی از میان این فضا حرکت میکند و تعامل بین تغییرات در خورشید و این فضای بینستارهای بر شکل هلیوسفر تاثیر میگذارد.
عدم اطمینان دانشمندان از شکل واقعی هلیوسفر
شکل هلیوسفر امکان دارد شبیه دنبالهدار با دمی بلند و دماغهای فشرده باشد که در آن خورشید به فضای بینستارهای فشار میآورد یا به شکل کروسانی باشد و یا حتی در حالتی تقریبی گرد به نظر برسد؛ هلیوسفر همچنین احتمال دارد به دلیل محدودیت دید ما از زمین و تعاملات پیچیده هلیوسفر با محیط اطراف خود، شکل دیگری داشته باشد که دانشمندان هنوز به آن فکر نکردهاند.

آنچه که دانشمندان میدانند، خورشید یک توده ناپایدار از پلاسما و مغناطیس است و پرتوهای آن تا میلیاردها کیلومتر به شکل باد خورشیدی یا جریان ثابتی از پلاسمای باردار از آن جاری میشود و گسترش مییابد؛ با این حال، جو زمین و میدان مغناطیسی آن از حیات در برابر خطرات جدی این ستاره محافظت میکند.
میدان مغناطیسی خورشید به همراه باد خورشیدی حرکت میکند و بر فضای بین سیارهها تاثیر میگذارد. هلیوسفر به طور دورهای، به ویژه طی چرخه ۱۱ ساله فعالیتهای خورشید در واکنش به تغییرات آن، بزرگ و کوچک میشود.
مراو اوفر (Merav Opher)، از دانشگاه بوستون (Boston University) آمریکا، میگوید: «اکنون میدانیم چقدر اطلاعات کمی درباره هلیوسفر داریم؛ این فضا بسیار پیچیدهتر و پویاتر از آن چیزی میباشد که تصور میکردیم.»
جیمی رانکین (Jamie Rankin)، فیزیکدان دانشگاه پرینستون (Princeton University) آمریکا و معاون پروژه وویجر، میگوید: «نوسانات ۱۱ ساله در سراسر هلیوسفر مشاهده میشود. هر اندازهگیری که تا به امروز انجام شده، تحت تاثیر لایههای مختلف خورشید قبل از عبور وویجرها از هلیوسفر قرار دارد.»
این مشاهدات به دلیل جنبشهای داخلی و خارجی در هلیوسفر نیز میتواند مطرح شود و باعث ایجاد سوالات بیشتری نسبت به پاسخهای موجود گردد؛ همچنین، برخورد ذرات پرانرژی خورشیدی با اتمهای خنثی بینستارهای میتواند به پیچیدگیهای بیشتری منجر شود.
ماموریتهای دیگر ناسا برای جمعآوری اطلاعات در مورد هلیوسفر
در سال ۲۰۰۸، ناسا کاوشگر مرز بینستارهای (Interstellar Boundary Explorer به اختصار 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؛ این ماهواره به صورت سالانه به ضبط این ذرات پرداخته و میتواند رویدادهای پیچیدهای که میلیاردها کیلومتر دورتر در حال رخ دادن هستند را بازسازی کند.

از جمله دستاوردهای کلیدی IBEX میتوان به کشف نواری از اتمهای خنثی پرانرژی اشاره کرد که روی هلیوزهیت گسترده شدهاند؛ این نوار احتمالا حاصل ذراتی باشد که به داخل و خارج هلیوسفر نوسان میکنند، اما متاسفانه کاوشگرهای وویجر نتوانستند به طور مستقیم این نوار را مطالعه کنند و از دو طرف آن عبور کردند؛ این دقیقا همان موقعیتی محسوب میشود که محدودیتهای تکیه بر مشاهدات محلی از چیزی به گستردگی حباب وسیع تحت تاثیر خورشید را نشان میدهد.
فضاپیمای IBEX هنوز مشغول فعالیت میباشد و بسیار بیشتر از آنچه در ابتدا برنامهریزی شده بود، دوام آورده است؛ این فضاپیما موفق شد در طول یک چرخه کامل ۱۱ ساله خورشیدی اطلاعات جمعآوری و واکنش هلیوسفر به فعالیت خورشیدی را رصد کند؛ از سویی دیوید مککوماس (David J. McComas)، فیزیکدان دانشگاه پرینستون، در حال کار بر روی ماموریت دیگری میباشد که برای پرتاب در سال آینده آماده خواهد شد.
ماموریت کاوشگر شتابدهنده و نقشهبرداری بینستارهای (IMAP) نسخهای قویتر از IBEX به شمار میرود و به همان اصول بنیادی و قابلیتها دسترسی دارد، اما با وضوح بالاتر و ابزارهای اضافی برای تجزیه و تحلیل دانههای گرد و غبار بینستارهای (بقایای ستارههای مرده) که به شکلی مخفیانه وارد منظومه شمسی میشوند، برخوردارند.
ناسا در سال ۲۰۱۵ کاوشگر نیوهورایزنز (New Horizons) را به سوی پلوتو ارسال کرد و اولین فضاپیمایی بود که به این سیاره کوتوله نزدیک شد و در تاریخ ۱۴ژوئیه۲۰۱۵ از کنار پلوتو عبور کرد. نیوهورایزنز سومین کاوشگری خواهد بود که احتمالا در دهه آینده به فضای بینستارهای خواهد رسید.
این فضاپیما پس از پرواز موفق خود به سوی پلوتو در سال ۲۰۱۵، همچنان در حال جمعآوری اطلاعات از ناحیه کایپر و ارسال تصاویر میباشد؛ همچنین، این فضاپیما قصد دارد به صورت بالقوه در آینده به فضای بینستارهای وارد شود؛ در همین حین، دانشمندان در حال برنامهریزی برای جمعآوری مشاهدات بیشتر از منطقه بینستارهای به روش مستقیم هستند.
این فضاپیما پس از بررسی سیاره کوتوله پلوتو و همچنین جرم سنگی دورتری به نام آروکات (آلتیماتولی سابق) در سال ۲۰۱۹، احتمالا تا یک دهه آینده از هلیوپاز عبور خواهد کرد. دانشمندان امیدوارند که ابزارهای این فضاپیما همچنان به کار خود ادامه دهند تا برای سومین سفر خورشیدی فراتر از محدوده تحت تاثیر خورشید آماده باشد.
دانشمندان همچنین یک ماموریت بالقوه به نام کاوشگر بینستارهای را برخلاف وویجر و نیوهورایزنز، برای دریافت داده از بخشهای بیرونی هلیوسفر و فراتر از آن طراحی کردهاند؛ این ماموریت شامل استفاده از یک ماهوارهبر بزرگ برای خروج سریع از منظومه شمسی میشود.
این ماموریت به بررسی پلاسما و میدانهای مغناطیسی میپردازد و هدف آن مطالعه شکل هلیوسفر از فاصلههای دورتر است؛ با این حال، این پروژه در اولویت بررسی دهساله که اخیرا منتشر شده، قرار ندارد.