بشر هزاران سال است که با امید کشف رازهای وسیع کیهان به آسمان‌ها خیره می‌شود و در دهه‌های اخیر، فضاپیماهایی به منظور اکتشاف جهان اطراف ما به فضا پرتاب شده‌اند؛ اما تا امروز تنها دو فضاپیمای مجهز به ابزارهای پیشرفته موفق به فرار از حباب فضایی ایجاد شده توسط خورشید شده‌اند.
در سال ۱۹۷۷، فضاپیمای دوقلوی وویجر با هدفی بزرگ برای مسافرت به سیارات دور پرتاب شد. این دو فضاپیما به‌طور همزمان از کنار مشتری و زحل گذر کردند و وویجر ۲ همچنین به بازدید از اورانوس و نپتون نیز برنامه‌ریزی شد.
از آن زمان، این دو فضاپیما به سفر خود به‌سوی جهانیان دور ادامه داده‌اند و با همه چالش‌ها، اعم از فناوری قدیمی و کاهش منابع انرژی، برخی از ابزارهای این فضاپیماها همچنان به رصد‌های خود ادامه می‌دهند.
مأموریت‌های شگفت‌انگیز وویجرها
در ۱۶ دسامبر ۲۰۰۴، وویجر ۱ به نقطه termination shock، که آغاز گام چندساله‌اش به فضای بین ستاره‌ای بود، رسید و وویجر ۲ در سال ۲۰۰۷ از همین نقطه عبور کرد.
از آن زمان به بعد، این دو فضاپیما تنها منبع ارزشمند اطلاعات بشری درباره هلیوسفر (حریم و فراتر از حباب اثر خورشید بر محیط فضایی) باقی مانده‌اند.
مراو اوفر، فیزیکدان فضایی از دانشگاه بوستون می‌گوید: «اکنون درک می‌کنیم که اطلاعات ما درباره هلیوسفر چقدر محدود است. این منطقه بسیار پیچیده‌تر و پویاتر از آن چیزی است که پیش‌تر تصور می‌کردیم.»
این تصوری است که دانشمندان از خورشید دارند: ما آن را به‌عنوان یک کره نورانی و دوردست می‌بینیم، شاید به دلیل اینکه جو زمین از ما در برابر خطرات خورشید محافظت می‌کند؛ اما در واقع، خورشید یک توده متلاطم از پلاسما و میدان مغناطیسی است که بادهای خورشیدی را به سمت ما هدایت می‌کند. این جریان مداوم پلاسمای باردار از سمت خورشید به‌سمت زمین جاری می‌شود. میدان مغناطیسی خورشید با این باد خورشیدی حرکت کرده و بر فضای میان سیارات تأثیر می‌گذارد. هلیوسفر نیز در پاسخ به تغییرات در فعالیت‌های خورشید در طول چرخه‌های ۱۱ ساله، گاهی بزرگ و گاهی کوچک می‌شود.
جیمی رانکین، فیزیکدان فضایی از دانشگاه پرینستون و معاون دانشمند پروژه مأموریت وویجر اظهار داشته است: «در سراسر هلیوسفر برآمدگی‌ها، فرورفتگی‌ها و قله‌های شگفت‌انگیزی وجود دارد. ستاره‌شناسان از رشته‌های مختلف در این پس‌زمینه آشوب‌زده گرفتار شده‌اند و این ممکن است بر داده‌ها و تفسیرهای آنها تأثیر بگذارد. اندازه‌گیری‌های ما تا کنون، از تمامی لایه‌های مختلف خورشید فیلتر شده‌اند، تا زمانی که وویجرها از هلیوپوز عبور کردند.»
سفری دشوار و بی‌نظیر
در جریان سفر به فضای بین ستاره‌ای، وویجرها باید از چندین مرز عبور کنند: نخست، مرحله termination shock در حدود هفت الی هشت میلیارد مایل دورتر از خورشید، جایی که باد خورشیدی به‌ناگهان سرعتش را کاهش می‌دهد و سپس هلیوپوز، جایی که فشار بیرونی باد خورشیدی با فشار درونی محیط بین‌ستاره‌ای برابر است.
بین این دو مرز متمایز، غلاف heliosheath قرار دارد، محلی که در آن مواد خورشیدی شروع به کند شدن و حتی در برخی موارد حرکت به سمت معکوس می‌کنند. عبور از این مرزها برای وویجر ۱ که سریع‌تر از وویجر ۲ بود، نزدیک به هشت سال زمان برد.
پس از هلیوپوز، فضای بین ستاره‌ای قرار دارد و وویجر ۱ این فضا را در سال ۲۰۱۲ و وویجر ۲ در سال ۲۰۱۸ کشف کردند. این محیط به‌طرز چشمگیری با فضای داخلی هلیوسفر ما متفاوت است و آرامش بیشتری دارد.
رانکین درباره محیط بین ستاره‌ای می‌گوید: «این یک یادگار از محیطی است که منظومه شمسی از آن شکل گرفته است. در این فضا، ذرات اتمی با انرژی بالا که به پرتوهای کیهانی مشهورند و همچنین غباری که از ستاره‌های در حال مرگ در طول تاریخ کیهان به وجود آمده، مشاهده می‌شود.»
هلیوسفر چگونه شکل می‌گیرد؟
محیط بین ستاره‌ای شامل بخش‌های مختلف کهکشان است؛ با نواحی متراکم و پراکنده که در بازوهای مارپیچی کهکشان راه شیری به‌صورت متناوب وجود دارند. تعامل میان دینامیک خورشید و محیط میان ستاره‌ای بر فرم هلیوسفر تأثیر می‌گذارد.
با این حال، دانشمندان هنوز نتوانسته‌اند شکل دقیق هلیوسفر را مشخص کنند. این شکل ممکن است به‌صورت دنباله‌داری با دمی طولانی مانند یک دنباله‌دار باشد که در آن خورشید به سمت فضای بین ستاره‌ای فشار می‌آورد. همچنین ممکن است این فعل‌وانفعالات بین میدان مغناطیسی خورشید و محیط بین ستاره‌ای، حباب را به شکلی شبیه کروسان با دو لابی که خورشید را دنبال می‌کنند، بکشاند. احتمالاً اشکال دیگری برای هلیوسفر وجود دارد که دانشمندان هنوز درباره آن فکر نکرده‌اند.
درک دیدگاه‌های محدود ما از زمین بسیار دشوار است. سارا اسپیتزر، فیزیکدان فضایی از موسسه علوم ویزمن در این‌باره گفت: «انگار که ما مثل یک ماهی سعی می‌کنیم از داخل تنگ ماهی، ابعاد آن را اندازه‌گیری کنیم، اما حتی نمی‌توانیم به لبه‌های آن برسیم.»
کاوشگرهای وویجر، نمونه‌های استثنایی از این چالش هستند. این دو فضاپیما به‌عنوان پیشگامان اکتشاف سیارات دور طراحی شده بودند و اولین و تنها تصاویری که از نزدیک از اورانوس و نپتون گرفته شده، متعلق به آن‌هاست. در سال ۱۹۸۹، این مشاهدات به اتمام رسید و با این حال، این فضاپیماها همچنان در شرایط خوبی به‌سر می‌برند. به همین دلیل، ناسا به کار با آنها ادامه می‌دهد و برخی از ابزارهایشان که دیگر داده‌های جالبی تولید نمی‌کنند، خاموش کرده است. با گذر زمان، وویجرها همچنان به سمت مرزهای تنگ کیهانی ما حرکت کرده و از میان آنها عبور می‌کنند.
پرتاب کاوشگر جدیدی به نام IBEX
اما این ماهی در تنگ بی‌کار نماند و در سال ۲۰۰۸، ناسا کاوشگر مرز بین ستاره‌ای (IBEX) را به فضا فرستاد تا از ذراتی به نام اتم‌های خنثی پرانرژی که از لبه هلیوسفر به داخل می‌آیند، نمونه‌برداری کند. اکنون، دانشمندان می‌توانند با استفاده از اندازه‌گیری‌های از IBEX، ویژگی‌های این ذرات را برای بازسازی برخی از رویدادهایی که در دوردست‌ها، میلیاردها مایل دور از زمین در حال وقوع‌اند، به کار ببرند.
از فعالیت‌های عمده و مؤثر IBEX، کشف نوار اتم‌های خنثی و پرانرژی است که غلاف heliosheath را می‌پوشاند. دانشمندان بر این باورند که این نوار حاکی از ذراتی است که به‌طور متناوب به داخل و خارج هلیوسفر می‌پرند؛ اما فضاپیمای وویجر نتوانسته است مستقیماً این نوار را تحلیل کند. همان‌طور که دیوید مک کوماس، فیزیکدان فضایی از دانشگاه پرینستون و محقق اصلی IBEX تشریح می‌کند، وویجرها از دو طرف آن عبور کرده‌اند. درست میان این دو فضاپیما، بزرگ‌ترین و شگفت‌انگیزترین ویژگی در هلیوسفر بیرونی وجود دارد.
این موقعیت، نمایانگر محدودیت‌های ناشی از وابستگی به مشاهدات محلی است که به وضوح مقیاس وسیع نفوذ خورشید را تحت تأثیر قرار می‌دهد. مک کوماس می‌گوید: «وویجرها به نوعی به مطالعه هلیوسفر پرداخته‌اند. ما اطلاعات بیشتری درباره ساختار سه‌بعدی جهانی هلیوسفر بیرونی جز این دو نقطه (دو کاوشگر وویجر) نداریم.»
البته IBEX هنوز در حال رصد است و بسیار بیشتر از مدت زمان پیش‌بینی‌شده به فعالیت خود ادامه می‌دهد. این کاوشگر توانسته است در طول یک چرخه کامل ۱۱ساله خورشیدی، اطلاعات ارزشمندی جمع‌آوری کرده و واکنش هلیوسفر به فعالیت‌های خورشیدی را رصد کند.
مأموریت‌های جدید
مک کوماس به‌طور مداوم در تلاش است تا مأموریت دیگری را که رهبری آن را بر عهده دارد، برای پرتاب در سال آینده آماده کند. او مأموریت کاوشگر نقشه‌برداری و شتاب بین ستاره‌ای (IMAP) را به‌عنوان مأموریت «IBEX در سطح آستروئیدها» توصیف می‌کند؛ با ویژگی‌های اصلی مشابه اما با وضوح بالاتر و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تری که نظیر تجزیه و تحلیل دانه‌های غبار میان ستاره‌ای – بقایای ستارگان مرده – که به آرامی به سمت منظومه شمسی می‌آیند، به کار گرفته می‌شود.
همزمان، سایر دانشمندان در حال برنامه‌ریزی برای جمع‌آوری مشاهدات بیشتر به‌صورت مستقیم از این ناحیه هستند. در حال حاضر، یک فضاپیمای دیگر نیز در مسیر مشابه وویجرها از هلیوسفر در حال حرکت است؛ آن هم در مأموریت «افق‌های جدید ناسا» که در سال ۲۰۱۵ از کنار پلوتون عبور کرد. این کاوشگر پس از انجام مطالعات درباره سیاره کوتوله و در سال ۲۰۱۹ و سپس یک شی صخره‌ای دورتر به نام «آلتیما ثولی»، برای حدود یک دهه دیگر در مسیر عبور از هلیوپوز خواهد بود و دانشمندان امیدوارند که ابزارهای آن همچنان به‌خوبی عمل کنند و برای سومین سفر بشری فراتر از تأثیر خورشید آماده باشند.
همچنین دانشمندان در حال طراحی یک مأموریت بالقوه به نام «کاوشگر بین ستاره‌ای» هستند که بر خلاف ویجرها و New Horizons، برای بررسی بخش‌های بیرونی هلیوسفر و نواحی فراتر از آن برنامه‌ریزی شده است. در این مأموریت، از موشک بزرگی برای خروج سریع از منظومه شمسی استفاده می‌شود و این کاوشگر دارای ابزارهایی خواهد بود که برای مطالعه میدان‌های پلاسما و مغناطیسی به‌جای اجسام سنگی طراحی شده‌اند و با عبور به مسافت‌های دور، به عقب نگاه کرده تا شکل فرار هلیوسفر ما را از فاصله دور شناسایی کند.
با این حال، این مأموریت به‌عنوان یک اولویت در نظر گرفته نشده و به همین دلیل، شانس دانشمندان برای نمونه‌برداری از محیط بین‌ستاره‌ای در آینده‌ای نزدیک کاهش می‌یابد. البته احتمالاً محققان چینی شانس بیشتری خواهند داشت؛ چرا که چین مأموریت بین ستاره‌ای خود را آغاز کرده است.
در حال حاضر، دانشمندان همچنان در حال تحلیل سیگنال‌های دریافتی از وویجرها هستند. این مجموعه‌ای وسیع از اطلاعات است: تقریباً داده‌های دو دهه‌ای راجع به مرز فضای بین ستاره‌ای و فراتر از آن که توسط کاوشگرها در دو نقطه مختلف به‌دست آمده است.
تجزیه‌و‌تحلیل نیز سرشار از نکات شگفت‌آور است؛ ظاهر یک کاوشگر که پنج بار از termination shock عبور کرده است، در زمانی که هلیوسفر ممکن است همگام با نوسانات قدرت باد خورشیدی به داخل و خارج حرکت کرده باشد؛ اما مشاهدات وویجرها از مسافت دور نیز محدود و به نوعی نگاه‌های اجمالی وسوسه‌انگیزی به محلی هستند که به شدت خارج از دسترس ماست، همان‌طور که بیشتر سوال‌هایی را ایجاد می‌کند تا پاسخ.
در این بین، یک نکته کاملاً روشن است: فرقی نمی‌کند مأموریت آنها چه زمانی پایان یابد، فضاپیمای وویجر این فرصت را برای دانشمندان میسر می‌سازد که اطلاعات بیشتری درباره فضای بین ستاره‌ای به‌دست آورند. اوفر در این‌باره تصریح می‌کند: «این ابزارها قبل از اینکه تصویر کاملی از ما حاصل شود، خاموش می‌شوند؛ اما ادامه فعالیت وویجرها تا حد امکان، واقعاً ارزشمند است.»