Daleko poza heliopauzę. Sens misji sond międzygwiazdowych

Obszar przestrzeni kosmicznej, zanurzony w ekspandującej koronie słonecznej przenikniętej słonecznym polem magnetycznym nazywany jest heliosferą. W jej wnętrzu znajduje się oczywiście Słońce, a ekspandująca korona słoneczna to nieustannie emitowany z jego powierzchni strumień naładowanych cząstek, tzw. wiatr słoneczny. Heliosfera rzeźbi w otaczającej ją materii międzygwiazdowej „jamę”. Tam, gdzie ciśnienie wiatru słonecznego zrównuje się z ciśnieniem materii międzygwiazdowej, powstaje granica obu ośrodków nosząca miano heliopauzy.

Kształt heliopauzy (i całej heliosfery) zależy od wielu czynników, ale przede wszystkim od prędkości napływającej na Słońce materii międzygwiazdowej oraz międzygwiazdowego pola magnetycznego (zagadką pozostaje wciąż jego intensywność i kierunek). Dzięki badaniom autorki, przeprowadzonym ćwierć wieku temu w NASA Ames Research Centre i kontynuowanym w CBK PAN, wiemy już m.in. że heliosfera nie jest symetryczna.

Najlepszym sposobem poznania granicy heliosfery byłoby wysłanie poza nią sondy kosmicznej. Dotychczas działo się to niejako „przy okazji”, jak w przypadku słynnych misji Voyager, oryginalnie przeznaczonych do badania planet olbrzymów. Statkom Voyager nadano prędkość, która pozwoliła im nie tylko sięgnąć orbity Urana czy Neptuna, ale na zawsze uciec z naszego układu planetarnego. W związku z tym 1 stycznia 1990 roku NASA oficjalnie przekształciła misję Voyager w misję międzygwiazdową.

„Międzygwiazdowym” Voyagerom postawiono za cel badanie krańcowych obszarów heliosfery oraz pomiar właściwości fizycznych odległej przestrzeni kosmicznej. Misja sond wciąż trwa i ma na swoim koncie historyczne osiągnięcie - 25 sierpnia 2012 roku Voyager-1 jako pierwszy obiekt stworzony przez człowieka przeleciał przez heliopauzę i wszedł w przestrzeń międzygwiazdową. Znajdował się wtedy około 122 jednostek astronomicznych (122 au) od Słońca. Voyager-2 powtórzył ten wyczyn 5 listopada 2018 roku, znajdując się 119 au od Słońca.

Obydwie sondy nadal przesyłają dane, ale przewiduje się, że zasilanie w energię elektryczną wystarczy do utrzymania funkcjonowania próbników i łączności z Ziemią tylko do około 2025 roku. To ograniczenie sprawiło, że na nowo odżył pomysł z czasów, gdy ustanawiano amerykańską agencję kosmiczną NASA - ludzie powinni zbudować i wystrzelić sondę, której zasadniczym celem będzie eksploracja przestrzeni międzygwiazdowej. Choć wiążące decyzje jeszcze nie zapadły, trwają intensywne prace koncepcyjne, kreślony jest program naukowy ewentualnej misji.

Czego oczekujemy po misji Sondy Międzygwiazdowej? Pierwszym ważnym zagadnieniem dla Sondy może być pył. Z jednej strony naukowców ciekawią drobiny materii powstające relatywnie blisko Ziemi, bo w pasie planetoid, a więc między orbitami Marsa i Jowisza (2 au – 5 au). Z drugiej strony badacze chcieliby poznać rozkład pyłu w najodleglejszych regionach Układu Słonecznego – poprzez Pas Kuipera (30 au - 50 au), aż po Obłok Oorta (powyżej 1000 au). Informacje te umożliwiłyby stworzenie pierwszej trójwymiarowej mapy okołosłonecznego dysku pyłowego, ważnej dla zrozumienia ewolucji naszego układu planetarnego.

Po minięciu najdalszych planet Sonda Międzygwiazdowa przemierzałaby Pas Kuipera ze znajdującymi się w nim planetami karłowatymi (Pluton, Makemake, Haumea) i obiektami transneptunowymi (2007 OR10, Orcus, Quaoar). Jak fascynujące mogą to być światy pokazała misja New Horizons, badająca krajobrazy Plutona. Zdjęcia z sondy pokazały ogromną złożoność i różnorodność struktur powierzchniowych (mnóstwo kraterów różnego wieku), składu chemicznego powierzchni globu, jak i własności nikłej atmosfery Plutona.

Równie intrygujące będą zapewne środowiska obiektów transneptunowych. Dotychczasowe obserwacje Quaoar (obiega Słońce w odległości 41 au - 44 au) sugerują, że okresowo może on posiadać metanową atmosferę, a odkryty na powierzchni obiektu krystaliczny lód pozwala przypuszczać, że w niedalekiej przeszłości Quaoar przejawiał (wciąż przejawia?) aktywność kriowulkaniczną. Podobnych obiektów na krańcach Układu Słonecznego może być znacznie więcej.

Minąwszy heliopauzę, Sonda Międzygwiazdowa będzie badać ośrodek międzygwiazdowy, zapewniając bezcenne spojrzenie na astrosferę od zewnątrz. Dzięki temu umożliwi zastosowanie naszego zrozumienia heliosfery do innych astrosfer, co pozwoli na lepsze rozpoznanie możliwości rozwoju życia w układach planetarnych wokół ich gwiazd. I tu pojawia się jeszcze jeden, nieoczekiwany wymiar badawczy misji – na jaki docelowy obiekt skierować Sondę?

Od czasu gdy kosmiczną wędrówkę rozpoczęły próbniki Voyager, astronomowie odkryli tysiące nowych planet wokół innych gwiazd. Niezwykle zasłużył się na tym polu należący do NASA kosmiczny teleskop Kepler, dzięki któremu odkryto wiele planet posłonecznych podobnych do Ziemi i krążących wokół gwiazd podobnych Słońcu. Przypadek chciał, że jeden z takich ziemio-podobnych globów krąży na orbicie najbliższej Słońcu gwiazdy – wokół Proximy Centauri, „zaledwie” 4 lata świetlne od Ziemi (tj. 63241 au).

Odkrywając planety pozasłoneczne, nieuchronnie stajemy przed pytaniem, w jaki sposób ludzkość przedostanie się przez ogromną przestrzeń między naszą gwiazdą a innymi potencjalnie nadającymi się do zamieszkania systemami planetarnymi. Wysłanie Sondy Międzygwiazdowej właśnie w stronę niewielkiego globu obiegającego Proximę Centauri byłoby pierwszym krokiem naszej cywilizacji do rozwiązania problemu podróży na skalę kosmiczną.

dr hab. Romana Ratkiewicz, prof. instytutu - Zespół Fizyki Układu Słonecznego i Astrofizyki

Centrum Badań Kosmicznych PAN