کشف نوسان‌های عجیب در لبه منظومه شمسی

زومیت: هلیوسفر یا حباب منظومه شمسی مانند یک سپر از ما دربرابر پرتوهای مضر کیهانی محافظت می‌کند. به‌تازگی نوسان‌های عجیبی در مرز این حباب مشاهده شده است.

حباب فضایی دربرگیرنده‌ی منظومه شمسی گاهی اوقات دچار چین‌خوردگی می‌شود. براساس داده‌های به‌دست‌‌آمده از فضاپیمایی در مدار زمین، ساختارهای نوسانی در مناطق هلیوپاس (مرز هلیوسفر) و شوک پایانی دیده شدند؛ دو منطقه‌ بی‌ثبات از فضا که مرز بین فضای داخل منظومه شمسی و فضای میان‌ستاره‌ای را مشخص می‌کنند.

براساس نتایج حاصله، می‌توان به تصویر دقیقی از مرز منظومه شمسی و تغییرات آن در طول زمان رسید. این اطلاعات به دانشمندان در رسیدن به درک بهتری از منطقه‌ی موسوم به هلیوسفر کمک می‌کنند. هلیوسفر از خورشید آغاز می‌شود و مانند سپری از منظومه شمسی دربرابر پرتوهای کیهانی محافظت می‌کند.

خورشید به شیوه‌های مختلف بر فضای اطرافش تأثیر می‌گذارد. یکی از این شیوه‌ها، باد خورشیدی یا جریان فراصوتی ثابتی از پلاسمای یونیزه است. بادهای خورشیدی از سیاره‌ها و کمربند کویپر عبور می‌کنند و درنهایت در فضای خالی عظیم بین ستاره‌ها ناپدید می‌شوند.

این تصویرسازی منظومه شمسی را داخل هلیوسفر نمایش می‌دهد که همراه با ناحیه‌ی شوک پایانی و هیلوپاس با دو حباب نشان داده شده‌اند

به نقطه‌ای که سرعت جریان باد خورشیدی کمتر از موج‌های صوتی در فضای میان‌ستاره‌ای می‌شود، شوک پایانی می‌گویند و به نقطه‌ای که بادهای خورشیدی دیگر از قدرت کافی برای مقاومت دربرابر فشار اندک فضای میان‌ستاره‌ای برخوردار نیستند هلیوپاس یا مرز هلیوسفر گفته می‌شود.

هر دو کاوشگر وویجر از هلیوپاس عبور کردند و حالا در فضای میان‌ستاره‌ای قرار دارند. این دو کاوشگر اولین اندازه‌گیری‌ها از مرز متغیر هلیوسفر را ارائه دادند؛ اما ابزار دیگری در مدار زمین وجود دارد که از سال ۲۰۰۹ به دانشمندان در نقشه‌برداری از هلیوپاس کمک می‌کند: کاوشگر مرز میان‌ستاره‌ای ناسا (IBEX).

IBEX به اندازه‌گیری اتم‌های پرانرژی خنثی اختصاص دارد. این اتم‌ها زمانی به وجود می‌آیند که باد خورشیدی در مرز منظومه شمسی با باد میان‌ستاره‌ای برخورد کند. برخی از این اتم‌ها به داخل فضا پرتاب می‌شوند درحالی‌که برخی دیگر به زمین بازمی‌گردند. با درنظر گرفتن قدرت باد خورشیدی تولید‌کننده‌ی این اتم‌ها، می‌توان از ذرات خنثای پرانرژی بازگشتی برای نقشه‌نگاری شکل این مرز استفاده کرد.

نقشه‌های قبلی از ساختار هلیوسفر مبتنی بر اندازه‌هایی در مقیاس طولانی از تکامل فشار باد خورشیدی و پرتوهای اتمی پرانرژی خنثی بودند که نتیجه‌ی آن‌ها مرزی یکنواخت در فضا و زمان بود؛ اما در سال ۲۰۱۴ در طی یک دوره‌ی شش ماهه، فشار متغیر باد خورشیدی دقیقاً ۵۰ درصد افزایش یافت. گروهی از پژوهشگران به رهبری اریک زیرنستین، اخترفیزیک‌دان دانشگاه پرینستون از این رویداد کوتاه‌تر برای رسیدن به تصویری دقیق‌تر از شکل شوک پایانی و هلیوپاس استفاده کردند و به نوسان‌های عظیمی در مقیاس ده‌ها واحد نجومی رسیدند. یک واحد نجومی به فاصله‌ی میانگین بین زمین و خورشید گفته می‌شود.

تصویر سه‌بعدی از شوک پایانی و هلیوپاس نشان‌دهنده‌ی نوسان‌های عظیمی در هر دو سطح است

پژوهشگرها همچنین مدل‌سازی و شبیه‌سازی‌ها را برای تعیین چگونگی برهم‌کنش این باد پرفشار با مرز منظومه شمسی اجرا کردند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که جبهه‌ی فشار در سال ۲۰۱۵ به شوک پایانی رسید و یک موج فشاری را به منطقه‌ی بین شوک پایانی و هلیوپاس که هلیوشیت داخلی خوانده می‌شود، منتقل کرد. در هلیوپاس، موجی انعکاسی بازمی‌گردد و با جریان ورودی پلاسمای باردار پشت جبهه‌ی فشار برخورد می‌کند و طوفانی از اتم‌های خنثای پرانرژی را به وجود می‌آورد که در حین بازگشت موج انعکاس به شوک پایانی، هلیوشیت را پر می‌کند.

اندازه‌گیری‌های پژوهشگرها تغییرات قابل توجهی را در فاصله‌‌ی هلیوپاس نشان می‌دهند. کاوشگر وویجر ۱ در سال ۲۰۱۲ در فاصله‌ی ۱۲۲ واحد نجومی از هلیوپاس عبور کرد. در سال ۲۰۱۶ پژوهشگرها فاصله با هلیوپاوس را در جهت مسیر وویجر یک، ۱۳۱ واحد نجومی تخمین زدند؛ در آن زمان وویجر یک، ۱۳۶ واحد نجومی تا خورشید فاصله‌ داشت و در فضای میان‌ستاره‌ای بود اما هلیوسفر دقیقاً پشت سر آن قرار داشت.

اندازه‌گیری هلیوپاس در مسیر وویجر ۲ در سال ۲۰۱۵ کمی دشوارتر بود و ۱۰۳ واحد نجومی با حاشیه‌ی خطای ۸ واحد نجومی در هر طرف تخمین زده شد. در آن زمان فاصله‌ی وویجر ۲ تا خورشید ۱۰۹ واحد نجومی بود که هنوز در حاشیه‌ی خطا قرار داشت. وویجر ۲ در سال ۲۰۱۸ و در فاصله‌ی ۱۱۹ واحد نجومی از هلیوپاس عبور کرد.

هر دو اندازه‌گیری نشان می‌دهند شکل هلیوپاس تغییر می‌کند و هنوز علت آن مشخص نیست. بااین‌حال، در سال ۲۰۲۵ کاوشگر جدیدی برای اندازه‌گیری پرتوهای اتم پرانرژی و خنثی با دقت بالاتر در طیف انرژی وسیع‌تر به فضا فرستاده خواهد شد. به گفته‌ی پژوهشگرها این کاوشگر می‌تواند پاسخ برخی پرسش‌های پیچیده را درباره‌ی حباب نامرئی و عجیبی که از منظومه شمسی ما دربرابر فضا محافظت می‌کند، بدهد.

این پژوهش در مجله‌ی Nature Astronomy منتشر شد.