Live τώρα    
20°C Αθήνα
ΑΘΗΝΑ
Ελαφρές νεφώσεις
20 °C
17.1°C20.7°C
2 BF 52%
ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ
Αίθριος καιρός
18 °C
16.5°C18.5°C
2 BF 68%
ΠΑΤΡΑ
Αίθριος καιρός
16 °C
14.8°C16.6°C
3 BF 70%
ΗΡΑΚΛΕΙΟ
Ελαφρές νεφώσεις
18 °C
15.4°C18.0°C
4 BF 52%
ΛΑΡΙΣΑ
Αίθριος καιρός
20 °C
19.9°C19.9°C
3 BF 40%
Νέα δεδομένα για τη δομή και το σχήμα της ηλιόσφαιρας από τα διαστημόπλοια Voyager 1, 2 και Cassini
  • Μείωση μεγέθους γραμματοσειράς
  • Αύξηση μεγέθους γραμματοσειράς
Εκτύπωση

Νέα δεδομένα για τη δομή και το σχήμα της ηλιόσφαιρας από τα διαστημόπλοια Voyager 1, 2 και Cassini

Του Κώστα Διαλυνά

Η αστρόσφαιρα του Ήλιου μας, ή διαφορετικά ηλιόσφαιρα, είναι μια εκτεταμένη περιοχή στην οποία κυριαρχεί το αποτύπωμα της ηλιακής δραστηριότητας. Περιλαμβάνει το ηλιακό μας σύστημα και εκτείνεται πέρα από αυτό, σε αποστάσεις μεγαλύτερες κατά τουλάχιστον 120 φορές την απόσταση Γης-Ηλίου (1AU είναι περίπου 150 εκατομμύρια χιλιόμετρα). Η ανώτερη ατμόσφαιρα του Ήλιου δεν είναι στατική, αλλά διαστέλλεται με τη μορφή ενός μαγνητισμένου ρευστού (αποτελούμενο κυρίως από πρωτόνια και ηλεκτρόνια, γνωστό και ως «πλάσμα»), που κινείται με ταχύτητες από 400 έως και 800 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο και ονομάζεται «ηλιακός άνεμος». Επιπλέον, ο Ήλιος εναλλάσσει τους μαγνητικούς του πόλους με μια περιοδικότητα 11 ετών, ορίζοντας έτσι τον 22ετή «ηλιακό κύκλο». Στη διάρκεια του ηλιακού κύκλου τα γενικά χαρακτηριστικά του ηλιακού ανέμου, δηλαδή η πίεση, η πυκνότητα, η ροή ενέργειας κ.ά., αλλάζουν σημαντικά.


 

(a) Απεικόνιση της μορφής της ηλιόσφαιρας βασισμένη σε μετρήσεις των Voyager 1, 2 και του Cassini. Ο Ήλιος βρίσκεται στο κέντρο. Το Voyager 1 (επάνω) βρίσκεται στον μεσοαστρικό χώρο και «αισθάνεται» τη ροή του μεσοαστρικού αερίου (κόκκινα βέλη) και το μεσοαστρικό μαγνητικό πεδίο (γκρι γραμμές), ενώ το Voyager 2 (κάτω) βρίσκεται μέσα στην «ηλιοθήκη». Η χρωματική κλίμακα δείχνει την κατανομή των ΕΝΑ που καταγράφει το Cassini. (b) Απεικόνιση της παλιότερης θεωρητικής αντίληψης για τη μορφή της ηλιόσφαιρας που μοιάζει με μια «μαγνητόσφαιρα» (Dialynas, K. et al., Nature Astronomy, 2017: https://www.nature.com/articles/s41550-017-0115).


Κατά τη διάρκεια του εκάστοτε ηλιακού κύκλου, η ροή του ηλιακού ανέμου στον διαπλανητικό χώρο συνεχίζεται με υπερηχητικές ταχύτητες έως τη στιγμή που συναντά το κρουστικό κύμα παύσης. Εκεί η ροή του ηλιακού ανέμου επιβραδύνεται σημαντικά. Το πλάσμα «συμπιέζεται», όπως συμβαίνει όταν ένα μεγάλο πλήθος ανθρώπων συνωστίζεται σε ένα μικρό δωμάτιο, και «θερμαίνεται», όπως συμβαίνει σε μια αντλία όταν τη χρησιμοποιούμε εντατικά για να φουσκώσουμε το λάστιχο του ποδηλάτου μας. Ένα παρόμοιο κύμα παύσης δημιουργείται όταν το νερό της βρύσης πέφτει πάνω στον νεροχύτη: μόλις το νερό χτυπήσει στην επιφάνεια του νεροχύτη, κινείται ακτινικά προς τα έξω με μεγάλη ταχύτητα (όπως ο ηλιακός άνεμος), δημιουργώντας έναν «δίσκο» έξω από το όριο του οποίου (κύμα παύσης) το νερό κινείται με χαμηλότερες ταχύτητες. Αξίζει βέβαια να σημειωθεί ότι το κρουστικό κύμα παύσης της ηλιόσφαιρας είναι μια τριδιάστατη δομή, διότι ο ηλιακός άνεμος ρέει προς όλες τις κατευθύνσεις του χώρου.

Το κρουστικό κύμα παύσης σηματοδοτεί το πέρασμα σε μια περιοχή που ονομάζουμε ηλιοθήκη η οποία μπορεί να χαρακτηριστεί ως μια δεξαμενή που περιλαμβάνει ένα μείγμα από ηλεκτρόνια και ιόντα, ουδέτερα (αφόρτιστα) άτομα αλλά και πεδία. Η ηλιοθήκη οριοθετείται εξωτερικά από την ηλιόπαυση, πάνω στην οποία προσπίπτει και περιτυλίγεται το μεσοαστρικό πλάσμα και το μεσοαστρικό μαγνητικό πεδίο, σχηματίζοντας τη διεπαφή μεταξύ του ηλιακού πλάσματος και του Γαλαξία.

Οι παραπάνω διεργασίες (και άλλες που δεν περιγράφονται εδώ) αποτελούν το επιστημονικό αντικείμενο της Ηλιοσφαιρικής Φυσικής, που τα τελευταία χρόνια έχει επιφέρει σημαντικά αποτελέσματα στην εξέλιξη της επιστημονικής γνώσης, τόσο σε επίπεδο θεωρητικής μελέτης, όσο και (κυρίως) πειραματικής επιβεβαίωσης, μέσω μετρήσεων από τις τρεις διαστημικές αποστολές Voyager 1, Voyager 2 και Cassini.

Κυνηγώντας την «ουρά» της ηλιόσφαιρας. Για περισσότερες από πέντε δεκαετίες, η δομή, το σχήμα και η αλληλεπίδραση της ηλιόσφαιρας με το μεσοαστρικό αέριο περιγραφόταν στο πλαίσιο δύο σημαντικά διαφορετικών θεωρητικών προτύπων: ένα μοντέλο τύπου «κομήτη» ή «μαγνητόσφαιρας» (βλ. Σχήμα b), με μια «ουρά» που θα μπορούσε να επεκτείνεται σε αποστάσεις μεγαλύτερες κατά τουλάχιστον 1000 AU και μια περισσότερο συμμετρική, σχεδόν σφαιρική δομή (βλ. Σχήμα a) που προκύπτει από την αλληλεπίδραση με ένα μεγάλης κλίμακας μεσοαστρικό μαγνητικό πεδίο. Αν και η θεωρητική έρευνα για την ηλιόσφαιρα υποστήριζε έως σήμερα πως η μορφή της θα έμοιαζε περισσότερο με εκείνη της μαγνητόσφαιρας, λόγω της έλλειψης επιτόπιων μετρήσεων ή\και μετρήσεων με τηλεπισκόπηση, ο ακριβής προσδιορισμός παρέμενε δύσκολος. Πρόσφατα, οι συνδυασμένες μετρήσεις από τα διαστημόπλοια Voyager 1, Voyager 2 και Cassini μας έδωσαν τη δυνατότητα να διαπιστώσουμε πως η ηλιόσφαιρα μοιάζει περισσότερο με μια «σφαιρικά συμμετρική φυσαλίδα φορτισμένων σωματιδίων», η οποία δεν εμφανίζει σημαντικές αποκλίσεις μεταξύ ουράς και ρύγχους.

Η εξερεύνηση της ηλιόσφαιρας με τις αποστολές Voyager 1, 2. Αναμφισβήτητα, οι δύο «ταξιδευτές» (Voyager 1, 2) αποτελούν τις πιο σημαντικές και επιτυχημένες αποστολές της αμερικανικής διαστημικής υπηρεσίας (NASA) που μας έχουν χαρίσει «μάτια» στους υπέροχους και μακρινούς κόσμους του ηλιακού μας συστήματος, αλλά και πέρα από αυτό. Ύστερα από 40 χρόνια (20 Αυγούστου και 5 Σεπτεμβρίου 1977), έχοντας διανύσει μεγάλες αποστάσεις προς το ρύγχος της ηλιόσφαιρας, τα Voyager, εξοπλισμένα με ένα σύνολο επιστημονικών οργάνων επιτόπιων μετρήσεων (δύο εκ των οποίων είναι τα LECP*), έχουν πραγματοποιήσει μια σειρά από πολύ σημαντικές παρατηρήσεις. Ανάμεσά τους δεσπόζουν η ανίχνευση του κρουστικού κύματος παύσης σε αποστάσεις 84 και 94 AU αντίστοιχα, η αναλυτική μελέτη των ροών των φορτισμένων σωματιδίων μέσα στην ηλιοθήκη και η έξοδος του Voyager 1 στον Γαλαξία (Αύγουστος 2012) σε μια απόσταση περίπου 122 AU. Οι μετρήσεις των Voyager επαναπροσδιόρισαν σημαντικά τη γνώση μας για τη δομή και την αλληλεπίδραση της ηλιόσφαιρας, δίνοντας νέα ώθηση για την εξαγωγή θεωριών και συμπερασμάτων, καταρρίπτοντας προηγούμενες επιστημονικές αντιλήψεις. Αξίζει να σημειωθεί ότι το Voyager 2 βρίσκεται ακόμα εντός της ηλιοθήκης και η διάβασή του από την ηλιόπαυση αναμένεται να πραγματοποιηθεί σε μερικά χρόνια.

Η σημαντική συνεισφορά του Cassini στη μελέτη της Ηλιόσφαιρας. Το Cassini είναι μια τεχνολογικά προηγμένη και εξόχως επιτυχημένη πλανητική αποστολή της NASA. Βρίσκεται σε τροχιά γύρω από τον πλανήτη Κρόνο (10 AU) από την 1η Ιουλίου 2004 και έχει πραγματοποιήσει μια σειρά από πολύ σημαντικές μετρήσεις για τον «άρχοντα των δαχτυλιδιών» και τα φεγγάρια του (η λήξη της αποστολής έχει προγραμματιστεί για τις 15 Σεπτεμβρίου 2017). Αν και ο Κρόνος απέχει σημαντικά από τα όρια της ηλιόσφαιρας, ένα από τα επιστημονικά όργανα της αποστολής (MIMI/INCA*) έχει τη δυνατότητα να παρέχει απομακρυσμένες παρατηρήσεις ενεργητικών ουδέτερων ατόμων-ENA: Πρόκειται για σωματίδια που δημιουργούνται από την αλληλεπίδραση μεταξύ των ενεργητικών ιόντων του ηλιακού ανέμου και των ουδέτερων ατόμων γαλαξιακής προέλευσης, η οποία λαμβάνει χώρα στην ηλιοθήκη (και σε άλλες περιοχές της ηλιόσφαιρας). Κατά τη διαδικασία αυτή το ενεργητικό ιόν «κλέβει» ένα ηλεκτρόνιο από το ουδέτερο άτομο και μετατρέπεται σε ΕΝΑ. Τα ΕΝΑ ταξιδεύουν έως και τον Κρόνο και καταγράφονται από το INCA, δίνοντας τη δυνατότητα εξαγωγής συμπερασμάτων για τις ιδιότητες του πλάσματος στα όρια της ηλιόσφαιρας. Μάλιστα, το INCA μας δίνει τη δυνατότητα απεικόνισης/κατανομής των ΕΝΑ σε «χάρτες του ουρανού» (π.χ. Σχήμα a), παρέχοντας έτσι καθοριστικές πληροφορίες για τις αλληλεπιδράσεις που πραγματοποιεί του ηλιακό πλάσμα σε πολύ απομακρυσμένες περιοχές της ηλιόσφαιρας στον ίδιο χρόνο. Κατά συνέπεια, τα ΕΝΑ παρέχουν τον μοναδικό τρόπο να «δούμε» την ηλιόσφαιρα.

Νέα γνώση για τη δομή και σχήμα της ηλιόσφαιρας. Οι πρόσφατες μετρήσεις των ΕΝΑ αποκάλυψαν κάτι πολύ σημαντικό και απροσδόκητο: η χρονική μεταβολή των ροών των ΕΝΑ όπως καταγράφονται με το όργανο INCA, τόσο από την κατεύθυνση της ουράς της ηλιόσφαιρας όσο και από το ρύγχος της, βρίσκονται σε πολύ ικανοποιητική συμφωνία με τις χρονικές μεταβολές των ιόντων μέσα στην ηλιοθήκη όπως καταγράφονται από τα δύο Voyager. Επιπλέον, οι ροές των ΕΝΑ από την ουρά αντανακλούν τις μεταβολές της ροής του ηλιακού ανέμου στη διάρκεια του ηλιακού κύκλου περίπου στον ίδιο χρόνο με τις ροές των ΕΝΑ που καταγράφονται από το ρύγχος.

Αυτές οι παρατηρήσεις πιστοποιούν ότι τα ΕΝΑ που λαμβάνει το INCA είναι προϊόντα της αλληλεπίδρασης του πλάσματος του ηλιακού ανέμου με το (γαλαξιακής προέλευσης) αέριο ατομικού υδρογόνου εντός της ηλιοθήκης. Επιπλέον δείχνουν ότι η ουρά της ηλιόσφαιρας θα πρέπει να βρίσκεται σε παρόμοια απόσταση από τον Ήλιο με εκείνη του ρύγχους. Τα ΕΝΑ κινούνται με ένα πολύ μικρό κλάσμα της ταχύτητας του φωτός και ακολουθούν τις αλλαγές της ροής του ηλιακού ανέμου στη διάρκεια του ηλιακού κύκλου με μια χρονική απόκλιση περίπου 2 έως 3 ετών (όπως καταγράφονται από το Cassini), τόσο από την κατεύθυνση του ρύγχους όσο και από εκείνη της ουράς. Αν η ηλιόσφαιρα περιελάμβανε μια εκτεταμένη ουρά χιλιάδων αστρονομικών μονάδων, θα περιμέναμε πως οι παραπάνω μεταβολές των ΕΝΑ θα γίνονταν με μια χρονική απόκλιση μεγαλύτερη των 20 ετών. Έτσι, σε αντίθεση με ό,τι προβλέπει η υπόθεση της «κομητοειδούς» (ή «μαγνητοσφαιρικής») δομής των τελευταίων δεκαετιών, το πάχος της ηλιοθήκης προς την κατεύθυνση της ουράς εκτιμάται τώρα στις μερικές εκατοντάδες αστρονομικές μονάδες.

Οι προεκτάσεις αυτών των παρατηρήσεων είναι πολύ σημαντικές. Οι σύγχρονες μετρήσεις του Voyager 1, ύστερα από την έξοδό του στον Γαλαξία, επιβεβαίωσαν την ύπαρξη ενός μεσοαστρικού μαγνητικού πεδίου μεγάλης κλίμακας, περισσότερο από δύο φορές ισχυρότερο από ό,τι υπολογίζονταν θεωρητικά έως σήμερα. Ταυτόχρονα, οι μετρήσεις των Voyager, ύστερα από τη διάβασή τους από το κρουστικό κύμα παύσης, απέδειξαν ότι η πίεση του πλάσματος μέσα στην ηλιοθήκη είναι σημαντικά μεγαλύτερη από εκείνη του μαγνητικού της πεδίου και δεν επιτρέπει στο μεσοαστρικό πεδίο να διαπερνά την ηλιοθήκη. Οι πληροφορίες αυτές υποδεικνύουν ότι η ηλιόσφαιρα είναι μια σχεδόν συμμετρική «φυσαλίδα» πλάσματος που εμφανίζει «διαμαγνητική» συμπεριφορά (Σχήμα a): το πλάσμα της ηλιοθήκης αλληλεπιδρά άμεσα με το ισχυρό μεσοαστρικό μαγνητικό πεδίο (που «συμπιέζει» την εμφάνιση ουράς) και επάγει ηλεκτρικά ρεύματα που θωρακίζουν το σύστημα ώστε το μεσοαστρικό πλάσμα να περιτυλίγεται γύρω από την ηλιόπαυση, λίγο έως πολύ, όπως το νερό ρέει γύρω από ένα βότσαλο σε ένα «αργό» ποτάμι.

Οι παρατηρήσεις αυτές συμβάλλουν καθοριστικά στην εξέλιξη της γνώσης σχετικά με την αλληλεπίδραση της ηλιόσφαιρας με το μεσοαστρικό αέριο. Θέτουν όμως και μια ουσιαστική (πειραματική) παράμετρο για τη θεωρητική μελέτη της εξέλιξης αστροσφαιρών σε μακρινά αστρικά συστήματα. Εκεί, οι πειραματικές μετρήσεις περιορίζονται μόνο σε απομακρυσμένες παρατηρήσεις στο ορατό φως, ή/και σε άλλα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.

* O δρ Κώστας Διαλυνάς είναι επιστημονικός συνεργάτης του Γραφείου Διαστημικής Έρευνας και Τεχνολογίας, Ακαδημία Αθηνών, Cassini/MIMI team. Κύριος/προϊστάμενος ερευνητής των πειραμάτων MIMI/INCA και Voyager1, 2/LECP είναι ο ακαδημαϊκός καθηγητής Σ.Μ. Κριμιζής.

ΣΧΕΤΙΚΑ ΑΡΘΡΑ

ΓΝΩΜΕΣ

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ

EDITORIAL

ΑΝΑΛΥΣΗ

SOCIAL