Váratlanul sűrű plazmára és pokoli hőségre bukkant a Voyager–2 a csillagközi térben

Egy évvel ezelőtt, 2018. november 5-én kilépett a csillagközi térbe az amerikai űrhivatal, a NASA legendás Voyager–2 űrszondája. Elhagyta a Napunkat körülvevő, töltött részecskékből álló buborékot, a helioszférát, 18 milliárd kilométerre a Földtől. Eltérő pályájából és sebességékből adódóan a Voyager–1 hat évvel korábban, 2012. augusztus 25-én érte el ugyanezt a mérföldkövet.

Ennek az eseménynek az első évfordulójára időzítve november elején öt tanulmány jelent meg a Nature Astronomyban. A publikációk a Voyager–2 még üzemelő öt műszeréből nyert eredményeket ismertetik, részletesen bemutatva, hogy mit figyelt meg a szonda a csillagközi térbe lépéskor, és milyen felfedezéseket tett azóta. Az öt berendezés a szonda mágneses teret mérő szenzora, két, eltérő energiaszinten dolgozó részecskedetektor és két töltött részecskéket megfigyelő plazmadetektor.

A Nap által létrehozott plazmabuborék, a helioszféra. Ennek határát, a heliopauzát lépte át a Voyager–1 még 2012-ben és a Voyager–2 űrszonda tavaly, annak nagyon különböző részein.Fotó: NASA/Csillagászat.hu

Ezek együttvéve részletes képet szolgáltatnak a kutatóknak a helioszféráról, vagyis a Napot körülvevő töltöttrészecske-buborékról és a csillagközi térről. Bár mindkettőt plazma tölti ki, annak tulajdonságai már teljesen mások a két környezetben. A helioszférában a plazma forróbb és ritkább, míg a csillagközi térben hidegebb és sűrűbb. Emellett a csillagközi tér nagyságrendekkel több nagy energiájú kozmikus töltött részecskét tartalmaz, amelyek többségétől a helioszféra megvédi a bolygókat, így a Földet is. A Voyager–1 mérései alapján ezeknek a részecskéknek 70 százalékát a helioszféra lényegében kiszűri.

Amikor a kutatók tavaly decemberben bejelentették, hogy a Voyager–2 elhagyta a Napot körülvevő plazmabuborékot, a szakemberek a szonda két töltöttrészecske-detektorának méréseire hagyatkoztak. Ezek egy hónappal korábban azt érzékelték, hogy a helioszférából érkező részecskék száma meredeken lezuhant, míg a nagy energiájú kozmikus részecskék száma hirtelen megemelkedett és tartósan magas szinten maradt, igazolva, hogy a Voyager–2 új kozmikus környezetbe lépett.

Az új tanulmányok megerősítik, hogy a Voyager–2 még nincs teljesen a Nap aktivitása által érintetlen csillagközi térben. A Voyager–1-gyel együtt a szonda egy átmeneti övezetben halad, a helioszférán kívül, de még annak környezetében. Mielőtt a Voyager–1 2012-ben elérte a helioszféra határát, a kutatók nem tudták pontosan, hogy milyen messze is van a Naptól ez a lényeges határvonal. 

A kutatók arra számítottak, hogy a helioszféra kiterjedése a Nap 11 éves aktivitási ciklusával együtt változik. A két különböző irányba, eltérő sebességgel haladó Voyagerek más Naptól mért távolságban hagyták el 6 év különbséggel a helioszférát, lényegében igazolva azt, hogy ennek a régiónak a kiterjedése időben módosulhat.

„A Voyager űrszondák megmutatják, milyen hatással van a Napunk a Tejútrendszerben (a Naprendszerünknek helyt adó galaxisban) a csillagok közötti területet kitöltő anyagra. A Voyager–2-től származó friss adatok nélkül nem tudnánk, hogy az, amit a Voyager–1-től láttunk, érvényes-e az egész helioszférára, vagy csak annak egy specifikus részére, abban az adott időben, amikor a szonda átlépte határát”

– magyarázta Ed Stone, a Voyager küldetést vezető kutató a felfedezéseket.

Az eredmények összességében sok korábbi elméleti munkát és modellt erősítenek meg. Az is egyértelműen kiderül, hogy szerencsés dolog volt teljesen különböző helyen vizsgálni a helioszféra és a csillagközi tér határát, hiszen a Voyager–1 és Voyager–2 adatai között néhol lényeges különbségek vannak.

A Voyager űrszondákat 1977-ben indította az Egyesült Államok, a külső bolygók meglátogatására, a Jupiter, a Szaturnusz, az Uránusz és a Neptunusz ezt lehetővé tévő szerencsés elhelyezkedésének köszönhetően. Mindkét Voyager szonda elrepült a Jupiter és Szaturnusz mellett, szenzációs felfedezéseket téve a gázóriásokról. A Voyager–2 ezután tovább folytatta útját az Uránuszhoz, majd a Neptunuszhoz, és a történelemben először és máig egyedülálló módon derítette fel a távoli jégóriásokat.

A Neptunusz melletti elhaladás után kezdetét vette a Voyager csillagközi küldetése, amelynek célja a csillagközi környezetbe való eljutás és annak vizsgálata volt, amíg a szondák még üzemelnek. Ezt a gyorsabban és más pályán haladó Voyager–1 2012-ben, a Voyager–2 pedig tavaly érte el. A Voyager–1 jelenleg 22 milliárd kilométerre, a Voyager–2 pedig 18.2 milliárd kilométerre van a Naptól. A Voyager–1 által küldött rádiójelek 20,5 órát, a Voyager–2-től érkezők pedig közel 17 órát utaznak fénysebességgel, míg elérik bolygónkat, és megérkeznek a NASA rádióteleszkóp-hálózatához, a mély-űr hálózathoz (DSN, Deep Space Network). Az űrszondákat a NASA kaliforniai JPL-kutatóintézete építette és működteti.

Mi a helyzet a nagy-energiájú részecskékkel a helioszféra határánál?

A Nature Astronomyban megjelent első tanulmány a Voyager–2 nagy energiájú részecskéket figyelő műszerének adatait mutatja be. A Napból származó részecskék számának csökkenését már 2018. augusztus 7-én érzékelte a szonda, miközben a galaktikus - azaz a Tejútrendszer más részeiről származó - részecskék mennyisége a következő hetekben 20 százalékkal megnőtt. November 5-én, a Naptól 119 csillagászati egység távolságra (AU, 1 csillagászati egység egyenlő a Nap-Föld közepes távolsággal) hirtelen változás következett be. Ekkor lényegesen lecsökkent a 28 keV-nál (28 ezer elektronvoltnál) nagyobb energiájú, Napból származó részecskék száma, és megnőtt a galaktikus eredetű, 213 MeV-nál (213 millió elektronvoltnál) nagyobb energiájúak mennyisége.

A kutatók azt találták, hogy ez az átmenet bizonyos szinten eltért a Voyager–1 által tapasztalttól. A különbség részben a plazmarégió struktúrájának különbségében nyilvánul meg, ami arra utalhat, hogy mélyebb összefüggés van a helioszféra határa és a csillagközi tér ahhoz közeli régiója között, mint korábban gondolták.

Egy másik fontos eltérés a Voyager–1 megfigyeléseihez képest a helioszférából, tehát végső soron a Napból származó, kis energiájú ionokat illeti. A Voyager–2 már bőven csillagközi térben is találkozott ilyen részecskékkel, közel 90 millió kilométerrel a határvonal után. Ezzel szemben a Voyager–1 esetén a helioszféra határa „jobban zár" és a szonda nem detektált ilyen részecskéket csillagközi térben. Ami viszont mindkét űreszköz adataiból egyértelmű, az a csillagközi mágneses tér viszonylagos erőssége.

Hogy viselkedik a mágneses tér a helioszféra határán?

A második tanulmány a mágneses térrel és részecskékkel foglalkozik. A Voyager–2 adatai és helyzete alapján kiderült, hogy a szonda a Napból származó plazmát és mágneses tereket tartalmazó buborékot annak déli féltekéjén lépte át, és sokkal vékonyabb, egyszerűbb határvonallal találkozott, mint a Voyager–1, amely az északi féltekén hagyta el a helioszférát. A Voyager–2 továbbá erősebb csillagközi mágneses tereket érzékelt ekkor, mint a Voyager–1, és a helioszféra határánál felfedezett egy teljesen új, ugyanakkor a modellek által előrejelzett régiót is. Ez egy olyan „mágneses határvonal" vagy „mágneses fal", amely lényeges hatással van a kozmikus részecskék Naprendszerünk belseje felé való bejutásába. Érdekes még, hogy a Voyager–2 csak nagyon finom változást tapasztalt a mágneses tér irányában a helioszférából a csillagközi térbe lépés során. Mindez a Voyager–1 megfigyeléseivel kombinálva arra mutat, hogy a helioszférához közeli csillagközi tér, az említett mágneses határvonal és a helioszféra határa komplex, egymáshoz kapcsolódó rendszert hoznak létre. Ezt pedig egyes modellek pontosan előrejelezték, amely nagy siker a területtel foglalkozó kutatóknak.

Új régió a helioszférához közeli csillagközi térben

A harmadik tanulmány a kozmikus részecskéket érintő, a csillagközi térbe áthaladás során zajló méréseket dolgozta fel. A Voyager–2 még tavaly november 5-én, amikor kilépett a csillagközi térbe, hirtelen csökkenést tapasztalt Napból származó kis energiájú ionok intenzitásában. Ezzel párhuzamosan a galaktikus forrásból származó, nagy energiájú kozmikus részecskék intenzitása megnőtt. Többek között éppen ezek a változások jelezték, hogy a Voyager–2 elhagyta a helioszférát.

A csillagközi térben a Voyager–2 kozmikusrészecske-detektora felfedezett egy olyan régiót, ahol kis energiájú, Napból származó részecskék a mágneses tér vonalai mentén kifelé haladtak. Ebben a régióban a kozmikus részecskék intenzitása csak 90 százaléka volt annak, amivel később a Voyager–2 találkozott a csillagközi térben haladva.

A két űrszonda adataiból a kutatók megállapították, hogy az általuk meglátogatott régiókban máshogy viselkednek a kozmikus részecskék, vélhetően a mágneses erővonalak különbsége miatt.

Különleges plazma környezet a helioszféra határa előtt

A Nature Astronomy negyedik cikke a plazmakörnyezettel és annak változásával foglalkozik, ahogy a Voyager–2 kilépett a csillagközi térbe. A szonda felfedezte, hogy a helioszféra határa előtt található egy, a Föld-Nap távolságának másfélszeresét kitevő térrész, ahol a plazma máshogy viselkedik, mint a Naphoz közelebb. Ezen a határterületen a plazma felmelegszik, áramlása lelassul, sűrűsége pedig kétszerese a tipikus, helioszféra belsőbb részein található plazmáénak. Egy még keskenyebb területre is fény derült, a helioszféra határa előtt nagyjából 9 millió kilométerre, ahol a plazma sugárirányú sebessége tovább lassul, a plazma sűrűsége és mágneses tér erőssége pedig tovább nő.

Az is világossá vált, hogy a csillagközi térben lévő anyag az előzetes várakozásoknál forróbb, mint azt a szakemberek várták (30-50 ezer kelvin hőmérsékletű, szemben a 15-30 ezer kelvines, modellek és korábbi megfigyelések által adott értékkel). Ez a szakemberek szerint arra is utalhat, hogy a plazma ezen a területen, a csillagközi tér kezdetén jobban összesűrűsödik a korábban gondoltnál. A kutatók számára még nem teljesen világos, hogy mi okozza ezt az összetömörülést a helioszféra határának két oldalán.

Milyen sűrű a csillagközi plazma?

Az utolsó tanulmány a Voyager–1 és a Voyager–2 plazmahullám-detektorának eredményeit ismerteti. A napszél által létrehozott forró plazma és a hideg csillagközi térben lévő plazma között húzódik a Nap helioszféra-buborékjának határa. A korábbi modellek alapján arra számítottak a szakemberek, hogy ezen határvonalon a csillagközi tér irányába 20-50-szeres plazmasűrűség- növekedést tapasztalnak. Így is történt: amikor a Voyager–2 átlépte a helioszféra határát, a plazmadetektor a csillagközi anyag sűrűségét 0,039 elektron per köbcentiméterben állapította meg, a helioszféra legkülső részén érzékelhető 0,002 elektron/cm3-hez képest, ami közel húszszoros sűrűségkülönbséget jelent.

A Voyager–1 még 2013-ban 0,055 elektron/cm3-ben határozta meg a csillagközi tér sűrűségét, minimálisan eltérve a Voyager–2 ugyanezen mérésétől. Abban is apró különbség mutatkozik, hogy a Voyager–1 a Naptól 122,6 csillagászati egységre, a Voyager–2 pedig a Naptól 119,7 csillagászati egységre kapta ezt az értéket. Ezek a mérések valamivel az után történtek, hogy a szondák átlépték a helioszféra határát, amit más műszerek segítségével határoztak meg: a Voyager–1 esetén 119 csillagászati egységben, a Voyager–2-nél pedig 121.6 csillagászati egységben. A kutatók szerint a sűrűségbeli és távolságbeli különbségek az űrszondák különböző helyzetére vezethetők vissza.

Referenciák:

  • Krimigis, S.M., Decker, R.B., Roelof, E.C. et al. Energetic charged particle measurements from Voyager 2 at the heliopause and beyond. Nat Astron 3, 997–1006 (2019) doi:10.1038/s41550-019-0927-4
  • Burlaga, L.F., Ness, N.F., Berdichevsky, D.B. et al. Magnetic field and particle measurements made by Voyager 2 at and near the heliopause. Nat Astron 3, 1007–1012 (2019) doi:10.1038/s41550-019-0920-y
  • Stone, E.C., Cummings, A.C., Heikkila, B.C. et al. Cosmic ray measurements from Voyager 2 as it crossed into interstellar space. Nat Astron 3, 1013–1018 (2019) doi:10.1038/s41550-019-0928-3
  • Richardson, J.D., Belcher, J.W., Garcia-Galindo, P. et al. Voyager 2 plasma observations of the heliopause and interstellar medium. Nat Astron 3, 1019–1023 (2019) doi:10.1038/s41550-019-0929-2
  • Gurnett, D.A., Kurth, W.S. Plasma densities near and beyond the heliopause from the Voyager 1 and 2 plasma wave instruments. Nat Astron 3, 1024–1028 (2019) doi:10.1038/s41550-019-0918-5

Néhány kapcsolódó cikkünk: