De rare ruimte die buiten ons zonnestelsel ligt
Het mysterieuze donkere vacuüm van de interstellaire ruimte wordt eindelijk onthuld door twee onverschrokken ruimtevaartuigen die de eerste door mensen gemaakte objecten zijn die ons zonnestelsel verlaten.
Ver weg van de beschermende omhelzing van de zon lijkt de rand van ons zonnestelsel een koude, lege en donkere plek. De gapende ruimte tussen ons en de dichtstbijzijnde sterren werd lange tijd beschouwd als een angstaanjagend uitgestrekte uitgestrektheid van niets.
Tot voor kort was het ergens waar de mensheid alleen van een afstand naar kon kijken. Astronomen besteedden er alleen aandacht aan en gaven er de voorkeur aan hun telescopen te richten op de gloeiende massa’s van onze naburige sterren, melkwegstelsels en nevel.
Maar twee ruimtevaartuigen, gebouwd en gelanceerd in de jaren zeventig, hebben de afgelopen jaren onze eerste glimp opgevangen uit dit vreemde gebied dat we de interstellaire ruimte noemen. Als de eerste door mensen gemaakte objecten die ons zonnestelsel verlaten, wagen ze zich op onbekend terrein, miljarden kilometers van huis. Geen enkel ander ruimtevaartuig heeft zo ver gereisd.
Magnetische velden vechten en duwen en zijn met elkaar verbonden. Het beeld dat je zou moeten hebben, is als het zwembad onder de Niagara Falls – Michele Bannister
En ze hebben onthuld dat buiten de grenzen van ons zonnestelsel een onzichtbaar gebied van chaotische, schuimende activiteit ligt.
“Als je naar verschillende delen van het elektromagnetische spectrum kijkt, is dat gebied in de ruimte heel anders dan de zwartheid die we met onze ogen waarnemen”, zegt Michele Bannister, een astronoom aan de Universiteit van Canterbury in Christchurch, Nieuw-Zeeland, die de uiterlijke uithoeken van het zonnestelsel. “Magnetische velden vechten en duwen en zijn met elkaar verbonden. Het beeld dat je zou moeten hebben, is als het zwembad onder de Niagara Falls. ”
In plaats van het tuimelen van water, is de turbulentie het resultaat van de zonnewind – een constante, krachtige stroom geladen deeltjes of plasma, die vanuit de zon in elke richting naar buiten sproeit – terwijl het in een cocktail van gas, stof en kosmische straling die tussen sterrenstelsels waait, bekend als het “interstellaire medium”.
Wetenschappers hebben de afgelopen eeuw een beeld opgebouwd van waaruit het interstellaire medium is gemaakt, grotendeels dankzij waarnemingen met radio- en röntgentelescopen. Ze hebben onthuld dat het bestaat uit extreem diffuse geïoniseerde waterstofatomen, stof en kosmische straling afgewisseld met dichte moleculaire gaswolken waarvan wordt aangenomen dat ze de geboorteplaats zijn van nieuwe sterren.
Maar de exacte aard ervan net buiten ons zonnestelsel is grotendeels een mysterie geweest, voornamelijk omdat de zon, alle acht planeten en een verre schijf van puin die bekend staat als de Kuipergordel, allemaal vervat zijn in een gigantische beschermende bel gevormd door de zonnewind, bekend. als de heliosfeer. Terwijl de zon en zijn omringende planeten door de Melkweg razen, buffert deze bubbel als een onzichtbaar schild tegen het interstellaire medium en houdt de meeste schadelijke kosmische straling en ander materiaal buiten.
De grootte en vorm van de heliosfeerbel verandert naarmate we door verschillende gebieden van het interstellaire medium gaan
Maar de levensreddende eigenschappen maken het ook moeilijker om te bestuderen wat er achter de bubbel ligt. Zelfs het bepalen van de grootte en vorm is moeilijk van binnenuit.
“Het is alsof je in je huis bent en je wilt weten hoe het eruit ziet. Je moet naar buiten gaan en een kijkje nemen om het echt te vertellen ”, zegt Elena Provornikova, een postdoctoraal onderzoeker aan het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory. “De enige manier om een idee te krijgen, is door ver van de zon af te reizen, achterom te kijken en een foto van buiten de heliosfeer te maken.”
Dit is geen eenvoudige taak. In vergelijking met de hele Melkweg lijkt ons zonnestelsel kleiner dan een rijstkorrel die midden in de Stille Oceaan drijft. En toch is de buitenrand van de heliosfeer nog steeds zo ver weg dat het meer dan 40 jaar duurde voordat het ruimtevaartuig Voyager 1 en Voyager 2 het bereikte toen ze van de aarde vlogen.
Voyager 1, die een directere route door het zonnestelsel nam, verdween in 2012 de interstellaire ruimte in, voordat Voyager 2 er in 2018 bij kwam. Momenteel drijven ze ongeveer 13 miljard en 11 miljard mijl van de aarde af, steeds verder. in de ruimte buiten ons zonnestelsel, terwijl ze meer gegevens terugsturen terwijl ze dat doen.
Wat deze twee verouderende sondes onthulden over de grens tussen de heliosfeer en het interstellaire medium, heeft nieuwe aanwijzingen opgeleverd over hoe ons zonnestelsel is ontstaan en hoe leven op aarde zelfs mogelijk is. De uiterste rand van ons zonnestelsel is verre van een duidelijke grens, maar karnt in feite met kolkende magnetische velden, botsende stellaire windstormen, stormen van hoogenergetische deeltjes en wervelende straling.
De grootte en vorm van de heliosfeerbel verandert naarmate de output van de zon verandert, en naarmate we door verschillende gebieden van het interstellaire medium gaan. Wanneer de zonnewind opkomt of daalt, verandert deze de naar buiten gerichte druk op de bel.
In 2014 nam de activiteit van de zon toe en stuurde wat neerkwam op een zonnewind-orkaan de ruimte in. De explosie spoelde snel over Mercurius en Venus met bijna 800 km per seconde (497 mijl per seconde). Na twee dagen en 150 miljoen km (93,2 miljoen mijl) omhulde het de aarde. Gelukkig beschermde het magnetische veld van onze planeet ons tegen zijn krachtige, schadelijke straling.
De windvlaag duwde Mars een dag later voorbij en zette zich voort door de asteroïdengordel naar de verre gasreuzen – Jupiter, Saturnus, Uranus en na meer dan twee maanden Neptunus, dat in een baan om de zon bijna 4,5 miljard km (2,8 miljard mijl) draait.
De heliosfeer is onverwacht groot, wat suggereert dat het interstellaire medium in dit deel van de melkweg minder dicht is dan mensen dachten
Na meer dan zes maanden bereikte de wind eindelijk een punt op meer dan 13 miljard km (8,1 miljard mijl) van de zon, bekend als de “beëindigingsschok”. Hier wordt het magnetische veld van de zon, dat de zonnewind voortstuwt, zwak genoeg om het interstellaire medium ertegen te laten duwen.
De zonnewindvlaag kwam voort uit de beëindigingsschok en reisde met minder dan de helft van de vorige snelheid – de orkaan werd gedegradeerd tot een tropische storm. Eind 2015 haalde hij de onregelmatig gevormde vorm van de Voyager 2 in, die ongeveer zo groot is als een kleine auto. De plasmagolf werd gedetecteerd door de 40 jaar oude detectietechnologieën van Voyager, aangedreven door een langzaam rottende plutoniumbatterij.
De sonde straalde gegevens terug naar de aarde, die zelfs bij de snelheid van het licht 18 uur nodig had om ons te bereiken. Astronomen konden de informatie van Voyager alleen ontvangen dankzij een enorme reeks satellietschotels van 70 meter en geavanceerde technologie die niet was bedacht, laat staan uitgevonden, toen de sonde de aarde verliet in 1977.
De zonnewindstoot bereikte Voyager 2 terwijl deze zich nog net binnen ons zonnestelsel bevond. Iets meer dan een jaar later bereikten de laatste zuchten van de afnemende wind Voyager 1, die in 2012 de interstellaire ruimte was overgestoken.
De verschillende routes die door de twee sondes werden afgelegd, betekenden dat de ene ongeveer 30 graden boven het zonnevlak was, de andere hetzelfde bedrag eronder. De uitbarsting van de zonnewind bereikte hen in verschillende regio’s op verschillende tijdstippen, wat nuttige aanwijzingen gaf over de aard van de heliopauze.
Uit de gegevens bleek dat de turbulente grens miljoenen kilometers dik is. Het beslaat miljarden vierkante kilometers rond het oppervlak van de heliosfeer.
De heliosfeer is ook onverwacht groot, wat suggereert dat het interstellaire medium in dit deel van de melkweg minder dicht is dan mensen dachten. De zon snijdt een pad door de interstellaire ruimte als een boot die door het water beweegt, een ‘boeggolf’ creëert en daarachter een kielzog uitstrekt, mogelijk met een staart (of staarten) in vormen die lijken op die van kometen. Beide Voyagers vertrokken via de “neus” van de heliosfeer en gaven dus geen informatie over de staart.
” De schatting van de Voyagers is dat de heliopauze ongeveer één astronomische eenheid dik is (93 miljoen mijl, wat de gemiddelde afstand is tussen de aarde en de zon)”, zegt Provornikova. “Het is niet echt een oppervlak. Het is een regio met complexe processen. En we weten niet wat daar aan de hand is. ”
Een deel van het interstellaire medium wordt omgezet in zonnewind, waardoor de luchtbel naar buiten toe toeneemt
Niet alleen zorgen zonne- en interstellaire winden voor een turbulent touwtrekken in het grensgebied, maar deeltjes lijken ook ladingen en momentum te wisselen. Als gevolg hiervan wordt een deel van het interstellaire medium omgezet in zonnewind, waardoor de buitenwaartse druk van de bel zelfs toeneemt.
En hoewel een zonnewindstoot interessante gegevens kan opleveren, lijkt het een verrassend klein effect te hebben op de totale grootte en vorm van de bel. Het lijkt erop dat wat er buiten de heliosfeer gebeurt, veel belangrijker is dan wat er binnen gebeurt. De zonnewind kan na verloop van tijd afnemen of afnemen zonder de luchtbel dramatisch te beïnvloeden. Maar als die bel naar een gebied van de melkweg beweegt met een dichtere of minder dichte interstellaire wind, dan zal hij krimpen of groeien.
Maar veel vragen blijven onbeantwoord, waaronder die over hoe typisch onze beschermende zonnewindbel zou kunnen zijn.
Provornikova zegt dat meer inzicht in onze eigen heliosfeer ons meer kan vertellen over de vraag of we alleen in het universum zijn.
“Wat we in ons eigen systeem bestuderen, zal ons vertellen over de voorwaarden voor de ontwikkeling van leven in andere sterrenstelsels”, zegt ze.
Dit komt grotendeels doordat de zonnewind door het interstellaire medium op afstand te houden, ook een levensbedreigend bombardement van straling en dodelijke hoogenergetische deeltjes – zoals kosmische straling – uit de verre ruimte tegenhoudt. Kosmische straling zijn protonen en atoomkernen die met bijna de lichtsnelheid door de ruimte stromen. Ze kunnen worden gegenereerd wanneer sterren exploderen, wanneer sterrenstelsels instorten in zwarte gaten en andere cataclysmische kosmische gebeurtenissen. Het gebied buiten ons zonnestelsel is dik met een gestage regen van deze subatomaire deeltjes met hoge snelheid, die krachtig genoeg zouden zijn om dodelijke stralingsvergiftiging te veroorzaken op een minder beschutte planeet.
De zwaartekracht van onze ster reikt tot ver buiten de heliosfeer en houdt een verre, dunne bol van ijs, stof en ruimtepuin op zijn plaats, bekend als de Oortwolk
“Voyager zei definitief dat 90% van deze straling door de zon wordt uitgefilterd”, zegt Jamie Rankin, een heliofysisch onderzoeker aan Princeton University, en de eerste die een proefschrift schreef op basis van de interstellaire gegevens van de Voyagers. “Als de zonnewind ons niet zou beschermen, weet ik niet of we zouden leven.”
Drie extra NASA-sondes zullen zich binnenkort bij de Voyagers voegen in de interstellaire ruimte, hoewel twee al zonder stroom zijn en geen gegevens meer teruggeven. Deze paar kleine speldenprikken in de gigantische grens zullen op zichzelf slechts beperkte informatie opleveren. Gelukkig kan dichter bij huis meer uitgebreide observatie worden gedaan.
Nasa’s International Boundary Explorer (Ibex), een kleine satelliet die sinds 2008 in een baan om de aarde draait, detecteert deeltjes die “energetische neutrale atomen” worden genoemd en die de interstellaire grens passeren. Ibex maakt driedimensionale kaarten van de interacties die plaatsvinden rondom de rand van de heliosfeer.
“Je kunt Ibex-kaarten zien als een soort ‘Doppler-radar’ en de Voyagers als weerstations op de grond”, zegt Rankin. Ze heeft gegevens van Voyagers, Ibex en andere bronnen gebruikt om kleinere pieken in de zonnewind te analyseren, en werkt momenteel aan een paper gebaseerd op de veel grotere explosie die in 2014 begon. Het bewijs toont al aan dat de heliosfeer aan het krimpen was toen Voyager 1 passeerde de grens, maar breidde weer uit toen Voyager 2 overstak.
“Het is een nogal dynamische grens”, zegt ze. “Het is best verbazingwekkend dat deze ontdekking werd vastgelegd in Ibex ‘3D-kaarten, waardoor we tegelijkertijd de lokale reacties van de Voyagers konden volgen.”
Ibex heeft onthuld hoe dynamisch de grens kan zijn. In het eerste jaar ontdekte het een gigantisch lint van energetische atomen dat over de grens slingerde en in de loop van de tijd veranderde, met kenmerken die al na zes maanden verschenen en verdwenen. Het lint blijkt een gebied aan de neus van de heliosfeer te zijn waar zonnewinddeeltjes tegen het galactische magnetische veld weerkaatsen en terug in het zonnestelsel worden gereflecteerd.
Maar er is een draai aan het Voyager-verhaal. Hoewel ze de heliosfeer hebben verlaten, zijn ze nog steeds binnen het bereik van veel van de andere invloeden van onze zon. Het zonlicht van de zon zou bijvoorbeeld met het blote menselijke oog zichtbaar zijn vanaf andere sterren. De zwaartekracht van onze ster strekt zich ook uit tot ver buiten de heliosfeer en houdt een verre, dunne bol van ijs, stof en ruimtepuin op zijn plaats, bekend als de Oortwolk.
Oort-objecten draaien nog steeds in een baan om de zon, ondanks dat ze ver in de interstellaire ruimte zweven. Hoewel sommige kometen banen hebben die helemaal tot aan de Oortwolk reiken, wordt een gebied van 186-930 miljard mijl (300-1500 miljard km) over het algemeen als te ver weg beschouwd om zelf sondes te sturen.
Deze verre objecten zijn nauwelijks veranderd sinds het begin van het zonnestelsel en kunnen sleutels bevatten voor alles, van hoe planeten worden gevormd tot hoe waarschijnlijk het is dat leven in ons universum zal ontstaan. En met elke golf van nieuwe gegevens komen er ook nieuwe mysteries en vragen naar boven.
Provornikova zegt dat er een deken van waterstof kan zijn die een deel of de hele heliosfeer bedekt, waarvan de effecten nog moeten worden gedecodeerd. Bovendien lijkt de heliosfeer in een interstellaire wolk van deeltjes en stof te kruipen die zijn overgebleven van oude kosmische gebeurtenissen waarvan de effecten op de grens – en op degenen onder ons die erin leven – niet zijn voorspeld.
“Het zou de afmetingen van de heliosfeer kunnen veranderen, het zou zijn vorm kunnen veranderen”, zegt Provornikova. “Het kan verschillende temperaturen hebben, verschillende magnetische velden, verschillende ionisatie en al die verschillende parameters. Het is erg spannend omdat het een gebied is met veel ontdekkingen, en we weten zo weinig over deze interactie tussen onze ster en het lokale sterrenstelsel. ”
Wat er ook gebeurt, twee metaalassortimenten ter grootte van een auto die aan kleine parabolische schotels zijn vastgeschroefd – de onverschrokken Voyager-sondes – zullen de voorhoede van ons zonnestelsel zijn en steeds meer onthullen over dit vreemde en onbekende gebied terwijl we door de ruimte ploegen.
