همسایگی منظومه‌ی شمسی در فضا با هیدروژن دربر گرفته شده است
نتایج پژوهش‌های تازه تأیید می‌کند که همسایگی منظومه‌ی شمسی در فضا توسط محیط میان‌ستاره‌ای دارای ذرات هیدروژن دربر گرفته شده است.
دانشمندان جایی را بررسی کرده‌اند که تنها دو فضاپیمای وویجر (Voyager) توانسته‌اند به آن راه پیدا کنند و سفر آن‌ها بیش از ۳۰ سال طول کشیده است. جایی که فراتر از مدار پلوتو، و چهار برابر دورتر از کمربند سنگی کوییپر است. این محدوده که فقط با یک مرز مغناطیسی نامرئی مشخص می‌شود، جایی است که سلطه‌ی خورشید به پایان می‌رسد و به‌عنوان نزدیک‌ترین بخش به فضای میان‌ستاره‌ای درنظر گرفته می‌شود.
نوار زمانی منظومه‌ی شمسی
در این محدوده‌ی ستاره‌ای بدون انسان، ذرات و نوری حاصل از ۱۰۰ میلیارد ستاره‌ی کهکشان ما به همراه بقایای باستانی مهبانگ (Big Bang) در هم می‌آمیزند. این مخلوط و در حقیقت ماده‌ی بین ستاره‌ها با نام «محیط میان‌ستاره‌ای» شناخته می‌شود. محتویات این محیط گذشته‌ی دور منظومه‌ی شمسی را در خود دارد و ممکن است نشانه‌هایی از آینده داشته باشد.
اکنون اندازه‌گیری‌های فضاپیمای «افق‌های نو» (New Horizons) ناسا در حال تغییر تخمین‌های ما از یک ویژگی اصلی محیط میان‌ستاره‌ای است؛ ضخامت آن. یافته‌های منتشر شده در نشریه‌ی Astrophysical Journal بر پایه‌ی مشاهدات جدید نشان می‌دهد که محیط میان‌ستاره‌ای محلی ما تقریبا ۴۰ درصد بیشتر بیشتر از برخی مطالعات قبلی دارای اتم‌های هیدروژن است. این نتایج شماری از اندازه‌گیری‌های متفاوت را یکپارچه می‌کند و توضیح تازه‌ای از همسایگی ما در فضا ارائه می‌دهد.
ضربه خوردن از مه میان‌ستاره‌ای
همان‌طور که زمین به دور خورشید حرکت می‌کند، کل منظومه‌ی شمسی ما هم در کهکشان راه شیری با سرعت بیش از ۸۰۰ هزار کیومتر بر ساعت حرکت می‌کند. هنگامی که از میان مه ذرات میان‌ستاره‌ای عبور می‌کنیم، توسط حباب مغناطیسی اطراف خورشید به نام «هورسپهر» (هلیوسفر) محافظت می‌شویم و بدین ترتیب بسیاری از گازهای میان‌ستاره‌ای، اما نه همه‌ی آن‌ها در اطراف این حباب جریان دارند.
هلیوسفر ذرات باردار را با هدایت توسط میدان‌های مغناطیسی دفع می‌کند، اما بیش از نیمی از گازهای میان‌ستاره‌ای محلی خنثی هستند و تعداد پروتون و الکترون برابر دارند. همین‌طور که میان گازهای میان‌ستاره‌ای می‌گذریم، گازهای خنثی به درون منظورمه‌ی شمسی نفوذ می‌کنند و توده‌ی باد خورشیدی را افزایش می‌دهند.
«اریک کریستین» (Eric Christian) فیزیکدان مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا در گرین‌بلت گفت: «مثل این است که از میان مه سنگینی بگذرید. هنگامی که می‌دوید لباس‌هایتان خیس می‌شود و سرعت شما را کند می‌کند.»
اتم‌های میان‌ستاره‌ای پس از هجوم به هلیوسفر، خیلی زود توسط نور خورشید فشرده می‌شوند و توسط ذرات باد خورشیدی می‌لرزند. بدین ترتیب بسیاری از آن‌ها الکترون‌های خود را در این هیاهو از دست می‌دهند و به «یون‌های حمل‌شده» (Pickup Ions) با بار مثبت تبدیل می‌شوند. این توده‌ی جدید از ذرات باردار، اگرچه تغییر یافته است اما رازهای مه پشت خود را همراه دارد.
«پاول سواچینا» (Pawel Swaczyna) از دانشگاه پرینستون و نویسنده‌ی اصلی این پژوهش گفت: «ما مشاهدات مستقیمی از اتم‌های میان‌ستاره‌ای توسط فضاپیمای افق‌های نو نداریم اما می‌توانیم این یون‌های حمل‌شده را مشاهده کنیم. از این ذرات یک الکترون گرفته شده است اما می‌دانیم که در ابتدا به عنوان اتم‌های خنثی از خارج از هلیوسفر به ما رسیده‌اند.»
هم‌اکنون فضاپیمای افق‌های نو ناسا که در ژانویه‌ی ۲۰۰۶ (دی ۱۳۸۴) به فضا پرتاب شد، بهترین وسیله برای اندازه‌گیری آن‌هاست. اکنون ۵ سال از زمان ملاقات این فضاپیما با پلوتو می‌گذرد که نخستین تصاویر از نزدیک را از این سیاره‌ی کوتوله به ثبت رساند. امروز این فضاپیما از طریق کمربند کوییپر در لبه‌ی منظومه‌ی شمسی که تازه‌ترین یون‌های حمل‌شده در آنجا قرار دارند، حرکت می‌کند. ابزار «بادهای خورشیدی اطراف پلوتو» (Solar Wind Around Pluto) یا «سواپ» (SWAP) این فضاپیما می‌تواند این یون‌های حمل‌شده را که با انرژی بسیار بالاتر از بادهای خورشیدی هستند، تشخیص دهد.
مقدار یون‌های حمل‌شده‌ای که افق‌های نو تشخیص می‌دهد، ضخامت مه میان‌ستاره‌ای را که از میان آن می‌گذریم، نشان می‌دهد. درست همان‌طور که کسی که با گذر از میان مه غلیظ‌تر رطوبت بیشتری جذب می‌شود، هر افق‌های نو یون‌های حمل‌شده‌ی بیشتری بیابد، یعنی مه میان‌ستاره‌ای تراکم بیشتری دارد.»
اندازه‌گیری‌های گوناگون
سواچینا از اندازه‌گیری‌های ابزار سواپ برای به‌دست آوردن چگالی هیدروژن خنثی در شوک انتهایی منظومه‌ی شمسی استفاده کرد. جایی که باد خورشیدی در برابر محیط میان‌ستاره‌ای قرار می‌گیرد و سرعت ان ناگهان کاهش می‌یابد. پس از ماه‌ها بررسی و آزمایش دقیق، آن‌ها به شمار ۰٫۱۲۷ ذره در سانتی‌متر مکعب یا حدود ۱۲۰ اتم هیدروژن در فضایی به‌اندازه‌ی یک لیتر رسیدند.
این نتیجه مطالعه‌ی دیگری که در سال ۲۰۰۱ انجام شده بود را هم تأیید کرد. این مطالعه از وویجر ۲ که حدود ۶٫۵ میلیارد کیلومتر دورتر است، برای اندازه‌گیری میزان کند شدن سرعت باد خورشیدی تا زمان رسیدن به فضاپیما استفاده کرده بود. این کندی عمدتا به دلیل دخالت ذرات متوسط میان‌ستاره‌ای بود و بدین ترتیب تراکم هیدروژن میان‌ستاره‌ای را حدود ۱۲۰ اتم هیدروژن در ۱ لیتر پیشنهاد می‌کرد.
اما برخی مطالعات جدیدتر در حدود عددی دیگر همگرا شده‌اند. دانشمندان با استفاده از داده‌های مأموریت «اولیس» (Ulysses) ناسا از فاصله‌ی نزدیک‌تر به خورشید نسبت به مشتری، یون‌های حمل‌شده را اندازه‌گیری کردند و چگالی حدود ۸۵ اتم هیدروژن میان‌ستاره‌ای را در یک لیتر فضا تخمین زدند. چند سال بعد یک تحقیق متفاوت هم با ترکیب داده‌های اولیس و وویجر نتیجه‌ی مشابهی را به‌دست آورد.
نوار IBEX
Credit: NASA/IBEX
سواچینا گفت: «می‌دانید که اگر متوجه شوید که چیزی متفاوت از کار قبلی است، روند طبیعی این است که به دنبال اشتباهات خود بگردید.»
اما پس از کمی بررسی بیشتر، به‌نظر رسید که همان عدد درست است. اندازه‌گیری‌های افق‌های نو با مشاهدات مبتنی بر ستاره‌های دور سازگاری بهتری دارد. از سوی دیگر اندازه‌گیری‌های اولیس یک نقص هم داشتند، زیرا در جایی انجام شدند که یون‌های حمل‌شده در آن نادرتر است و اندازه‌گیری‌ها از اطمینان بالایی برخوردار نیستند.
کریستین خاطرنشان کرد: «مشاهدات یون‌های حمل‌شده‌ی هلیوسفر درونی، از میلیاردها کیلومتر فیلتر می‌شوند. بدین ترتیب داشتن ابزاری در بیرون این فاصله، جایی که افق‌های نو قرار دارد، تفاوت زیادی در نتایج ایجاد می‌کند.»
درباره‌ی نتایج ترکیبی کاوشگرهای اولیس و وویجر هم، سواچینا متوجه شد که یکی از اعداد در محاسبه به‌روز نیست و ۳۵ درصد کمتر از مقدار اجماع فعلی را نشان می‌دهد. به این ترتیب محاسبه‌ی دوباره با مقدار پذیرفته‌شده‌ی فعلی، مطابقت تقریبی با اندازه‌گیری افق‌های نو و مطالعه‌ی ۲۰۰۱ را به‌دست می‌دهد.
«آریک پوزنر» (Arik Posner) نویسنده‌ی پژوهش سال ۲۰۰۱ در دفتر اصلی ناسا در واشنگتن گفت: «تأیید این نتیجه‌ی قدیمی تقریبا فراموش‌شده برای ما تعجب‌آور است. ما فکر کردیم که روش ساده‌ی ما برای اندازه‌گیری کندی باد خورشیدی توسط مطالعات پیچیده‌تری که نبست به آن زمان انجام شده، تغییر یافته اما چنین نیست.
دید پژوهشی تازه
هرچند به نظر نمی‌رسد که رفتن از ۸۵ اتم در یک لیتر به ۱۲۰ اتم زیاد باشد، اما در علم مبتنی بر مدل مانند هلیوفیزیک تغییر یک عدد در همه چیز اثرگذار است.
برآورد تازه ممکن است به توضیح یکی از بزرگتری رازهای هلیوسفریک در چند سال گذشته کمک کند. در این زمینه «کاوشگر مرز میان‌ستاره‌ای» (Interstellar Boundary Explorer) ناسا، IBEX هم کمی پس از آغاز مأموریت داده‌های کاملی را مخابره کرد و دانشمندان در این داده‌ها متوجه یک نوار عجیب از ذرات پرانرژی شدند که از لبه‌ی جلویی هلیوسفر می‌آید. آن‌ها این نوار را «نوار آیبکس» (IBEX Ribbon) نامیدند.
کریستین گفت: «روبان IBEX یک غافلگیری بزرگ بود. این ساختار در لبه‌ی منظومه‌ی شمسی ما به عرض یک میلیارد مایل (۱.۶ میلیارد کیلومتر) و طول ۱۰ میلیارد مایل (۱۶ میلیارد کیلومتر) وجود داشت و هیچ کس نمی‌دانست. حتی وقتی شبیه‌سازی‌های موجود را برای علت وجود آن توسعه دادیم، همه‌ی مدل‌ها نشان می‌دادند که نباید آن میزان که هست روشن باشد.»
«دیوید مک کوماس» (David McComas) استاد علوم اخترفیزیک دانشگاه پرینستون و پژوهشگر اصلی مأموریت IBEX ناسا در این زمینه افزود: «چگالی میان‌ستاره‌ای که در این مطالعه ۴۰ درصد بالاتر مشاهده شده، کاملا بحرانی است. این نه تنها نشان می‌دهد که خورشید ما در یک قسمت بسیار چگال از فضای میان‌ستاره‌ای قرار گرفته است، بلکه ممکن است یک خطای قابل توجه در نتایج شبیه‌سازی ما را در مقایسه با مشاهدات واقعی IBEX توضیح دهد.»
در هر صورت، این نتیجه، تصویری بهتر از گروه ستاره‌ای محلی ما ارائه می‌دهد و به گفته‌ی سواچینا «این نخستین بار است که ابزارهایی یون‌های حمل‌شده را در این فاصله‌ی دور مشاهده می‌کنند و تصویر ما از محیط میان‌ستاره‌ای محلی هم با تصاویر مشاهدات نجومی مطابقت دارد. این نشانه‌ی خوبی است.»
عکس کاور: طرحی گرافیکی از ابر میان‌ستاره‌ای که منظومه‌ی شمسی را دربر گرفته است و پژوهش‌های تازه وجود میزان قابل توجه هیدروژن در آن را تأیید می‌کند.
Credit: NASA/Adler/U. Chicago/Wesleyan
منبع: Phys.Org
