Η Ζώνη Ασφαλείας του Ηλιακού μας Συστήματος
Ο Ντέιβιντ ΜακΚόμας έχει μια αγαπημένη «αστρόσφαιρα», το περιβάλλον που δημιουργείται από τον αστρικό άνεμο ενός αστεριού καθώς πλήττει το περιβάλλον διαστρικό μέσο. Ανήκει σε ένα αστέρι που ονομάζεται Mira. Σε μια εικόνα από το 2006, η Mira κατευθύνεται προς τα δεξιά, με 291.000 μίλια την ώρα, πέντε φορές την ταχύτητα που ο ήλιος μας διασχίζει το τοπικό διαστρικό σύννεφο στον Γαλαξία μας. Μπορείτε να διακρίνετε ένα «σοκ πλώρης» που σχηματίζεται μπροστά από το αστέρι, όπως θα έκανε κανείς μπροστά από ένα σκάφος που πλέει μέσα στο νερό. Το αέριο εκεί θερμαίνεται και αναμιγνύεται με τον άνεμο του ψυχρότερου αερίου υδρογόνου που πνέει από το Mira, και στη συνέχεια ρέει στο πίσω μέρος του άστρου, σχηματίζοντας μια αφύπνιση. Η αστρόσφαιρα της Mira, που ακολουθεί πίσω από το αστέρι στα αριστερά, φαίνεται ταραχώδης, κατακερματισμένη και τεντωμένη. «Πόσο ξεκάθαρα μπορείτε να το δείτε να καταρρέει από αυτή την ενιαία δομή σε αυτές τις ταραχώδεις μικρότερες δομές», είπε ο ΜακΚόμας, καθηγητής αστροφυσικών επιστημών στο Πρίνστον, σε μια συνέντευξη βίντεο πρόσφατα. "Νομίζω ότι είναι πολύ όμορφο."
Όταν ο ΜακΚόμας δεν θαυμάζει την αστρόσφαιρα της Μίρα, πρωτοστατεί στις προσπάθειες να κατανοήσουμε τη δική μας, την «ηλιόσφαιρα», μια φυσαλίδα κανονικά σε σχήμα κομήτη. Ανυπομονεί να μάθει για τις λειτουργίες που μπορεί να εξυπηρετήσει. Από το 2008, ο McComas είναι ο κύριος ερευνητής της αποστολής Interstellar Boundary Explorer (IBEX). Επιβλέπει τα δεδομένα που συλλέγει ο δορυφόρος IBEX για να αποκαλύψει τη φύση της άκρης του ηλιακού μας συστήματος. Θα είναι επίσης υπεύθυνος του διαδόχου του IBEX, του Interstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP), που πρόκειται να ξεκινήσει το 2024.
Τι μπορεί να θεωρηθεί ως το όριο του ηλιακού μας συστήματος; Δεν υπάρχει καθορισμένο σημείο στο οποίο το φως από τον ήλιο μας εξασθενεί τελείως, ή όπου η βαρύτητα του σταματά να γίνεται αισθητή, επομένως κανένα από αυτά δεν θα μπορούσε να το σημαδέψει. Αλλά η ηλιόσφαιρα μπορεί. «Κινείται μέσω του γαλαξία, διατηρώντας το σπίτι μας ασφαλές», λέει ο McComas. Ο ηλιακός άνεμος του ήλιου, μια εκροή ιονισμένου αερίου ή πλάσματος, ωθεί προς το γαλαξιακό υλικό ανάμεσα στα αστέρια, που ονομάζεται επίσης «διαστρικό μέσο». Το διαστρικό μέσο στην πολύ τοπική μας περιοχή είναι ένα μείγμα πλάσματος, ηλίου και ουδέτερου υδρογόνου. Σχηματίζεται από ζεστά, μερικώς ιονισμένα σύννεφα που βρίσκονται στην Τοπική Φούσκα, μια μεγάλη κοιλότητα γεμάτη με πλάσμα που πιθανότατα δημιουργήθηκε από πολλαπλές εκρήξεις σουπερνόβα, μαζί με διαστρική σκόνη και άλλους αστρικούς ανέμους. Το φράγμα που μας χωρίζει από αυτό καταλαμβάνει μια περιοχή πολύ πέρα από την τροχιά του Πλούτωνα, μια περιοχή που μπορείτε να ορίσετε και να μετρήσετε.
«Κατά κάποιους τρόπους», λέει ο McComas, «είναι σαν το πλοίο μας να ταξιδεύει μέσω του διαστρικού χώρου». Χωρίς αυτό -όπως έδειξαν δεδομένα από τους ανιχνευτές Voyager, που εκτοξεύτηκαν τη δεκαετία του 1970- θα βομβαρδιζόμασταν στη Γη από τέσσερις φορές την ποσότητα των κοσμικών ακτίνων που έρχονται σε εμάς, οι οποίες θα ήταν καταστροφικές τόσο για το στρώμα του όζοντος της Γης όσο και για το DNA μας. Φέτος, χρησιμοποιώντας δεδομένα από το IBEX, ο McComas και οι συνεργάτες του κατάφεραν να δημιουργήσουν έναν τρισδιάστατο χάρτη της ηλιόσφαιρας—από το εσωτερικό. Οι επιστήμονες είχαν πολύ περιορισμένη αίσθηση των πραγμάτων από το εξωτερικό. Την τελευταία δεκαετία, τόσο το Voyager 1 όσο και το Voyager 2 διέσχισαν το κατώφλι της ηλιόσφαιρας, ένα στρώμα που ονομάζεται ηλιόπαυση, και πρόσφεραν ορισμένα δεδομένα για το σχήμα του μετώπου του πλοίου με φούσκα. (Τα Voyagers τρέχουν μπροστά από τον ήλιο προς την ίδια κατεύθυνση.)
«Αυτά in situ μετρήσεις», έγραψαν ο ΜακΚόμας και οι συνεργάτες του σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο The Astrophysical Journal , «έδωσαν την απαραίτητη επίγεια αλήθεια ως προς την κλίμακα της ηλιόσφαιρας, αλλά ως εκ τούτου, έχουμε μόνο άμεσες μετρήσεις κατά μήκος δύο τροχιών διαστημόπλοιων σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές, παρέχοντας σημαντικές αλλά πολύ χωρικά και χρονικά περιορισμένες πληροφορίες για τις διαστάσεις της ηλιόσφαιρας .”
Σε αντίθεση με τα Voyagers, το IBEX δεν διαθέτει κάμερα που συλλέγει φως. Μάλλον έχει δύο αισθητήρες, εκατέρωθεν του εξαγωνικού σχήματος πλάτους λιγότερο από ένα μέτρο, που συλλέγουν σωματίδια που ονομάζονται ενεργητικά ουδέτερα άτομα. Ουδέτερα άτομα υδρογόνου μετατοπίζονται ανεμπόδιστα μέσα από ηλεκτρομαγνητικά όρια που χωρίζουν τον διαστρικό χώρο από την ηλιόσφαιρα. «Είναι κάπως ελιγμούς», λέει ο ΜακΚόμας. Η άμεση παρατήρηση του διαστρικού ουδέτερου αερίου που ρέει στην ηλιόσφαιρα δίνει μια εκτίμηση της ταχύτητας με την οποία κινείται η ηλιόσφαιρα σε σχέση με το διαστρικό μέσο. (Σε περίπου 52.000 μίλια την ώρα, είναι ένας σχετικά χαλαρός ρυθμός.)
Εάν ένα ουδέτερο άτομο υδρογόνου περάσει αρκετά κοντά σε ένα πρωτόνιο σε ένα ιονισμένο αέριο, το πρωτόνιο θα αρπάξει το ηλεκτρόνιο από το άτομο υδρογόνου και όταν αρπάξει αυτό το ηλεκτρόνιο, το πρωτόνιο γίνεται ουδέτερο και το άτομο υδρογόνου γίνεται νέο πρωτόνιο:διαδικασία γνωστή ως ανταλλαγή φόρτισης. Το νέο ουδέτερο έχει τις ιδιότητες του ιονισμένου αερίου. Θα έχει μια θερμοκρασία και μια μαζική κίνηση, που αντιστοιχεί στο σημείο που δημιουργήθηκε το ουδέτερο, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να διακρίνει «καυτές» ή ενεργητικές περιοχές. «Αν έχετε έναν ανιχνευτή που μπορεί να μετρήσει αυτά τα ενεργειακά ουδέτερα άτομα», λέει ο Gary Zank, διαστημικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Αλαμπάμα στο Huntsville, ο οποίος έχει εργαστεί στο IBEX, «αυτό που βασικά κάνετε είναι να μάθετε πού βρίσκονται αυτά τα ενεργητικά ουδέτερα δημιουργήθηκαν άτομα.”
Αυτά μπορεί να προέρχονται από το όριο της ηλιόσφαιρας και από πέρα από το όριο. Πληθυσμοί ουδέτερων ατόμων που κινούνται με ταχύτητα περίπου 310 μιλίων το δευτερόλεπτο προέρχονται από την περιοχή όπου κυριαρχεί ο υπερηχητικός ηλιακός άνεμος. Τα άτομα με ταχύτητα περίπου 62 μιλίων ανά δευτερόλεπτο προέρχονται από το εσωτερικό ηλιοθηκάρι, όπου ο ηλιακός άνεμος γίνεται υποηχητικός καθώς προσκρούει στο διαστρικό μέσο. Τα ενεργητικά ουδέτερα σωματίδια μπορούν επίσης να προέρχονται από τον ηλιακό άνεμο που αλληλεπιδρά με την επιφάνεια της σελήνης και από διεργασίες που συμβαίνουν στη μαγνητόσφαιρα της Γης.
Αυτά τα σωματίδια, που έρχονται προς το μέρος μας από όλες τις κατευθύνσεις, μερικά από αυτά αναπηδούν από το εσωτερικό της ηλιόσφαιρας, υποδεικνύουν τους επιστήμονες για το πώς ο ηλιακός άνεμος του ήλιου αλληλεπιδρά με τον διαστρικό χώρο καθώς το ηλιακό μας σύστημα παρασύρεται γύρω από τον γαλαξία. Ζυγίζοντας λίγο περισσότερο από τον μέσο Αμερικανό, το IBEX βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τη Γη για περισσότερο από μια δεκαετία, παρατηρώντας την άκρη του ηλιακού συστήματος με αρκετή επιτυχία ώστε να έχει στον McComas την ευκαιρία να διερευνήσει περαιτέρω το φράγμα, με το IMAP.
Για να διερευνήσει το μακρινό φράγμα του ηλιακού μας συστήματος, ο ΜακΚόμας έπρεπε να αντιμετωπίσει ένα εσωτερικό εμπόδιο - τη δυσλεξία του, μια πάθηση που καθιστά δύσκολη την ερμηνεία των γραμμάτων και των λέξεων. Αλλά μπορεί να τον βοήθησε να μπει στην επιστημονική πορεία που ακολουθεί σήμερα, με περισσότερους από έναν τρόπους.
Δεδομένου ότι δυσκολευόταν να μάθει να διαβάζει στο δημοτικό σχολείο, ώθησε να χωρίσει και να συναρμολογήσει ό,τι του έπιανε. Στο γυμνάσιο, ξεκίνησε μια επιχείρηση, χρησιμοποιώντας έναν πυρσό προπανίου για να κολλήσει ασυνήθιστα κοσμήματα που πούλησε στα μεσοδυτικά, κερδίζοντας αρκετά χρήματα για τρία χρόνια για να σκεφτεί πραγματικά το προηγούμενο κολέγιο. Αργότερα, στο MIT, συμμετείχε στο κέντρο του για διαστημική έρευνα, το οποίο χρειαζόταν έναν υποψήφιο για να κάνει καλή συναρμολόγηση:μια εργασία στην οποία ο McComas είχε εμπειρία.
Σε μια ομιλία του 2014 για τη δυσλεξία και την επιστημονική του καριέρα, με τίτλο «A Personal Journey from ‘Slow’ to the Interstellar Frontier», ο McComas λέει ότι, όταν ανακάλυψε το ενδιαφέρον του για τη φυσική, το βρήκε ασυνήθιστα διαισθητικό. «Ένιωσα ότι μπορούσα να καταλάβω τις απαντήσεις». Σε μια διαφάνεια της παρουσίασής του, δείχνει ένα γραφικό που απεικονίζει μια διαπίστωση που έκανε τη δεκαετία του 1990, ότι ο ηλιακός άνεμος του ήλιου είναι πολύ πιο γρήγορος στους πόλους του. «Αυτό είναι κάπως χαρακτηριστικό για το πώς μπόρεσα να επικοινωνώ στην περιοχή μου», είπε. "Συγκεντρώνοντας τα διαφορετικά κομμάτια της γνώσης σε ένα ενιαίο γραφικό που, αν είστε διαστημικός φυσικός, δεν χρειάζεται λεζάντα."
Έδωσε πιστώσεις στη δυσλεξία ότι τον βοήθησε να γίνει ένας πιο συνεργάσιμος επιστήμονας που μπορεί να αναγνωρίσει τα δυνατά και τα αδύνατα σημεία των ανθρώπων και έτσι να σχηματίσει καλύτερες ομάδες. «Χρειάστηκαν εκατοντάδες και εκατοντάδες άνθρωποι για να κάνουν την αποστολή IBEX. Χρειάζεστε ανθρώπους με κάθε είδους διαφορετικές δεξιότητες και τους χρειάζεστε για να συνεργαστούν καλά», είπε. "Λοιπόν, νομίζω ότι υπάρχει μια ποικιλία σκέψεων που είναι ευκολότερο για τους δυσλεξικούς να καταλάβουν γιατί αυτό μπορεί να είναι καλό."
Τα πρώτα αποτελέσματα από το IBEX έγιναν το εξώφυλλο του Science το 2009. Ο δορυφόρος απαθανάτισε μια μυστηριώδη δομή κορδέλας που προβάλλεται πάνω από έναν χάρτη «παντός ουρανό» ισοπεδωμένο σε δύο διαστάσεις. «Τα αποτελέσματα του IBEX είναι πραγματικά αξιοσημείωτα, με εκπομπές που δεν μοιάζουν με καμία από τις τρέχουσες θεωρίες ή μοντέλα αυτής της περιοχής που δεν είχε ξαναδεί», δήλωσε τότε ο ΜακΚόμας. «Περιμέναμε να δούμε μικρές, σταδιακές χωρικές διακυμάνσεις στο διαστρικό όριο, περίπου 10 δισεκατομμύρια μίλια μακριά. Ωστόσο, το IBEX μας δείχνει μια πολύ στενή κορδέλα που είναι δύο έως τρεις φορές πιο φωτεινή από οτιδήποτε άλλο στον ουρανό». Τα ουδέτερα άτομα που συνέλεγε η IBEX, με άλλα λόγια, δεν προέρχονταν από όλες τις κατευθύνσεις σε λίγο πολύ ίσες ποσότητες. Είναι μια μεγάλη υπόδειξη για τους επιστήμονες ότι ο τρόπος με τον οποίο τα μαγνητικά πεδία του ήλιου μας αλληλεπιδρούν με το μαγνητικό πεδίο του γαλαξία είναι πολύ πιο περίπλοκος από ό,τι υποτίθεται. Ωστόσο, οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν την κορδέλα για να σταχυολογήσουν πώς κινούμαστε μέσα στα μαγνητικά πεδία του γαλαξία και πώς αυτά τα πεδία, με τη σειρά τους, επηρεάζουν το ηλιακό μας σύστημα.
Η κορδέλα είναι σαν αποτύπωμα. Χαρτογραφεί σε τοποθεσίες στον ουρανό όπου τα ενεργητικά ουδέτερα άτομα θα φαινόταν να διαδίδονται από μια πηγή σε ευθείες γραμμές καθώς περνούν ανεμπόδιστα. «Αν ψάχνετε με έναν ανιχνευτή», λέει ο Zank, «αυτό που θα δείτε είναι σε μια συγκεκριμένη ακτινική κατεύθυνση όλα αυτά τα ενεργητικά ουδέτερα άτομα που επιστρέφουν ακριβώς πάνω σας». Μπορεί να μην είναι διαφορετικό από τις καταστάσεις όπου μπορεί να πιάσουμε μια λάμψη ηλιακού φωτός στον ωκεανό. Σε μια ηλιόλουστη μέρα, υπάρχει πάντα μια περιοχή όπου υπάρχει ένα πολύ πιο φωτεινό μοτίβο φωτός, όπως μια ελαφρώς ευρεία γραμμή, λέει ο Zank. "Ο λόγος που βλέπετε αυτό το φωτεινότερο είδος φωτός από το ανακλώμενο φως από τον ωκεανό", λέει, "είναι ότι αυτό είναι το φως που κατευθύνεται κατευθείαν στα μάτια σας."
Σε εκείνο το τεύχος Νοεμβρίου του Science , ο ΜακΚόμας τολμούσε έξι θεωρίες για να το εξηγήσει. Ο κατάλογος των πιθανών εξηγήσεων ξεπέρασε σύντομα τις 10, αν και αρκετές είναι παραλλαγές σε ένα θέμα. Σήμερα, ο McComas είναι λίγο-πολύ πεπεισμένος ότι ένας από αυτούς έχει δίκιο.
Αυτό που φαίνεται να συμβαίνει, εξήγησε ο ΜακΚόμας, είναι ότι ένα κλάσμα των φορτισμένων σωματιδίων που ήταν μέρος του ηλιακού ανέμου και τώρα είναι εξουδετερωμένα, διαδίδονται ακτινικά έξω, πέρα από την ηλιόπαυση στο τοπικό διαστρικό μέσο. Παγιδεύονται και περιστρέφονται γύρω από το μαγνητικό πεδίο που είναι τυλιγμένο σε όλη την ηλιόσφαιρα. Τελικά, τα ενεργητικά ουδέτερα άτομα επανεξουδετερώνονται και ακτινοβολούν πίσω προς την ηλιόσφαιρα. Αυτή η σειρά ανταλλαγών φορτίου θα μπορούσε να εξηγήσει την κορδέλα, η οποία προέρχεται από μερικές εκατοντάδες αστρονομικές μονάδες πέρα από την ηλιόπαυση. (Μία αστρονομική μονάδα, η απόσταση μεταξύ Γης και Ήλιου, είναι 93 εκατομμύρια μίλια.)
Το IBEX είναι σε θέση να ανιχνεύει πλάσμα σε αποστάσεις μερικών εκατοντάδων αστρονομικών μονάδων. Το IMAP θα λάβει έως και 500 αστρονομικές μονάδες ή περισσότερες. «Υπάρχει ένα θεμελιώδες όριο στο πόσο μακριά μπορείτε να δείτε με ουδέτερα άτομα», λέει ο McComas, «Είναι ακόμη πολύς δρόμος». Το όριο σχετίζεται με τις ενέργειες των ατόμων και την ανταλλαγή φορτίου. Το IMAP, με κόστος άνω των 600 εκατομμυρίων δολαρίων, θα μεταφέρει μια σουίτα 10 οργάνων για να επιτρέψει στον McComas, μεταξύ άλλων, να επαληθεύσει καλύτερα την ιδέα του για το τι προκαλεί τη δομή της κορδέλας. Μετρήσεις με μεγαλύτερη ευαισθησία μπορούν να εντοπίσουν την πηγή του.
Το IMAP μπορεί να βοηθήσει τους αστροφυσικούς να αποφασίσουν οριστικά πώς μοιάζει η ηλιόσφαιρά μας. Η τυπική άποψη φαίνεται να είναι ότι μοιάζει με κομήτη, αλλά ο Merav Opher, ένας φυσικός του διαστημικού πλάσματος στο Πανεπιστήμιο της Βοστώνης, υποστηρίζει, χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις, για μια ηλιόσφαιρα σε σχήμα κρουασάν, πιο στρογγυλή και με λοβούς. «Έχει βαθιές συνέπειες για το πώς τα αστέρια είναι εγκλωβισμένα στις δικές τους φυσαλίδες και πώς αυτές οι φυσαλίδες φιλτράρουν τις γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες», λέει. Η Opher και οι συνεργάτες της προέβλεψαν πώς το διαστρικό μαγνητικό πεδίο θα πιέσει την ηλιόσφαιρα, καθιστώντας την ασύμμετρη ιδιαίτερα στο νότιο τμήμα της, κάτι που επαλήθευσαν οι Voyagers. Δεν μπορεί να είναι μια πλήρης σφαίρα γιατί το πλάσμα πρέπει να ρέει έξω. «Χρειάζεσαι ένα κέρατο», λέει ο Όφερ. "Χρειάζεστε μια έξοδο από το πλάσμα."
Το IMAP, το οποίο θα χαρτογραφήσει ενεργητικά ουδέτερα άτομα σε ένα υψηλότερο ενεργειακό καθεστώς από το IBEX, θα βοηθήσει στον περιορισμό των μοντέλων, ιδιαίτερα εάν η ηλιόσφαιρα έχει μακριά ουρά, εκτεινόμενες χιλιάδες αστρονομικές μονάδες ή μια σχετικά πιο συμπαγή ουρά ένα κλάσμα αυτού του μήκους. Ωστόσο, η Opher και οι συνάδελφοί της πιστεύουν ότι in-situ Οι μετρήσεις είναι ζωτικής σημασίας και προτείνουν έναν τέτοιο ανιχνευτή για να βγει αρκετές εκατοντάδες αστρονομικές μονάδες πέρα από την ηλιόσφαιρα για τη δεκαετία του 2030.
Με την έναρξη του IMAP, ο McComas ανυπομονεί να κάνει «μια πολύ ολοκληρωμένη επιστημονική δουλειά». Αυτό που θα ήταν ιδανικό είναι να ανακαλύψουμε τι είδους φυσική ελέγχει θεμελιωδώς το εξελισσόμενο διαστημικό περιβάλλον του ηλιακού μας συστήματος, και επομένως, την προέλευση της κορδέλας. Θα μπορούσε κανείς να ελπίζει ότι αυτό θα περιλάμβανε μια ή δύο εκπλήξεις. Δεν θα ήταν η πρώτη φορά. Στη βιντεοκλήση μας, ο ΜακΚόμας θυμήθηκε ένα επεισόδιο καθαρού άγχους λίγο μετά την εκτόξευση του IBEX στο διάστημα, τον Οκτώβριο του 2008, από την Ατόλη Kwajalein στην κορυφή ενός πυραύλου Pegasus που έπεσε από αεροπλάνο. Τα δεδομένα άρχισαν να μεταδίδονται μετά τα Χριστούγεννα και φαινόταν ότι τα όργανα του IBEX είχαν πρόβλημα.
«Η πρώτη δέσμη [δεδομένων] έδειξε αυτό το φωτεινό πράγμα εδώ κάτω, νότια του ισημερινού», μου είπε ο ΜακΚόμας, κάτι που δεν είχε προβλεφθεί από τις επικρατούσες θεωρίες. Με το φυσικό του αντίγραφο της Επιστήμης εύχρηστο τεύχος με το έργο του στο εξώφυλλο, έδειξε ένα μέρος του χάρτη του ουρανού. Η δεύτερη σειρά δεδομένων, είπε, έδειξε επίσης τη φωτεινή ζώνη. Μόλις το διαστημόπλοιο έκανε μια προσαρμογή και άρχισε να αναδύεται μια δομή, η ομάδα εξέπνευσε:Ήταν η κορδέλα. Έβλεπαν κάτι αληθινό.
Ο Virat Markandeya είναι επιστημονικός συγγραφέας με έδρα το Δελχί.
Εικόνα επικεφαλής:oobqoo / Shutterstock
