De NASA-sonde Voyager 2 vliegt op een afstand van vele miljarden kilometers van de Aarde door de inktzwarte ruimte, waar ze in november 2018 een nieuwe mijlpaal bereikte door als tweede ruimtevaartuig ooit ons zonnestelsel te verlaten. Een dag voor de eerste verjaardag van dat kosmische feit hebben wetenschappers nu onthuld wat Voyager 2 waarnam toen ze de grens naar de interstellaire ruimte doorbrak, een gebeurtenis die nieuwe inzichten oplevert in enkele van de grootste mysteries van ons zonnestelsel.
De resultaten van de nieuwe analyse, die deze week in vijf aparte studies in het tijdschrift Nature Astronomy zijn gepubliceerd, gaan dieper in op de allereerste keer dat een ruimtevaartuig het elektrisch geladen en extreem ijle plasma van het interstellaire medium heeft kunnen registreren. Het is de zoveelste mijlpaal voor dit ruimtevaartuig, dat in 1977 werd gelanceerd en het eerste (en tot nu toe enige) is dat op korte afstand voorbij de ijsreuzen Uranus en Neptunus is gevlogen.
Voyager 2 vloog de interstellaire ruimte binnen in navolging van zijn tweelingbroer Voyager 1, die hetzelfde al in 2012 deed. De meetgegevens die de beide ruimtevaartuigen naar de aarde sturen, lijken in de meeste gevallen op elkaar, zoals de algehele dichtheid aan deeltjes in de interstellaire ruimte. Maar in de waarnemingen die de sondes bij het verlaten van het zonnestelsel deden, zaten fascinerend genoeg ook enkele verschillen, wat nieuwe vragen oproept over de baan die onze zon rond het centrum van de Melkweg volgt.
“Dit is echt een wonderbaarlijke reis geweest,” zei Ed Stone, natuurkundige aan Caltech en een van de wetenschappers van het Voyager-project, vorige week op een persconferentie.
“Het is gewoon zeer spannend dat de mensheid nu de interstellaire ruimte verkent,” zegt natuurkundige Jamie Rankin, een postdoconderzoeker van de Princeton University die niet bij de nieuwe studies was betrokken. “We zijn al interstellaire reizigers sinds Voyager 1 het zonnestelsel verliet, maar Voyager 2’s overgang is nóg spannender omdat we nu twee zeer verschillende locaties met elkaar kunnen vergelijken ... in het interstellaire medium.”
Binnen de zeepbel
Om te begrijpen wat de laatste metingen van Voyager 2 betekenen, is het goed om te weten dat de zon niet alleen maar een rustig brandende bol van licht is. Onze ster is een nucleaire oven die met een snelheid van ruim 720.000 kilometer per uur in een baan rond het centrum van de Melkweg raast.
De zon wordt ook doorzeefd door de verwrongen en verstrengelde lijnen van zijn eigen magnetische veld, waardoor er voortdurend grote massa’s geladen deeltjes vanaf zijn oppervlak de ruimte in schieten, een fenomeen dat zonnewind wordt genoemd. Deze wind waait in alle richtingen en voert het magneetveld van de zon met zich mee. Uiteindelijk botst de zonnewind op het interstellaire medium, de relatief lege ruimte waarin restanten van oeroude sterexplosies in de vorm van een ijl medium tussen de sterren hangen.
Net als olie en water gaan de zonnewind en het interstellaire medium niet gemakkelijk in elkaar over, zodat de zonnewind als het ware een reusachtige zeepbel binnen het interstellaire medium vormt, die de heliosfeer wordt genoemd. Afgaande op metingen van de beide Voyagers, bevindt de ‘boeg’ van deze zeepbel zich op een afstand van 17,7 miljard kilometer van de Aarde en omsluit hij daarmee de zon, alle acht planeten en de meeste dwergplaneten aan de rand van ons zonnestelsel. En dat is maar goed ook, want binnenin de heliosfeer wordt alles – ook ons DNA – tegen hoogenergetische kosmische straling beschermd.
Voorbij de buitenste schil van de heliosfeer, de heliopauze, begint de interstellaire ruimte. Een beter begrip van dit overgangsgebied is belangrijk voor ons inzicht in de baan die de zon door de Melkweg volgt, wat op zijn beurt meer kan vertellen over andere sterren die we in de kosmos waarnemen.
“We proberen de aard van dat overgangsgebied te begrijpen, daar waar beide winden op elkaar botsen en zich vermengen,” zei Stone op de persconferentie. “Hoe gaan ze in elkaar over en hoeveel materie dringt er van binnen de zeepbel naar buiten door, en omgekeerd?”
Wetenschappers ontvingen voor het eerst directe meetgegevens over de heliopauze toen Voyager 1 op 25 augustus 2012 de interstellaire ruimte in vloog. Maar wat ze in de gegevens zagen, was verwarrend. Ze weten nu dat het magneetveld van de interstellaire ruimte twee- tot driemaal krachtiger is dan werd verwacht, wat betekent dat de deeltjes in de interstellaire ruimte tot wel tienmaal zoveel druk op de heliosfeer uitoefenen dan tot voor kort werd aangenomen.
“Het is ons eerste platform om het interstellaire medium direct te bestuderen, dus deze sonde baant voor ons letterlijk nieuwe paden,” zegt heliofysicus Patrick Koehn, die aan het hoofdkwartier van de NASA is verbonden.
Lekkende schil
Maar hoewel Voyager 1 meerdere veronderstellingen onderuit haalde, waren de metingen van de sonde niet volledig, aangezien het instrument waarmee de plasmatemperatuur werd gemeten al in 1980 was uitgevallen. Het plasma-instrument van Voyager 2 werkt daarentegen nog prima, zodat de sonde bij het passeren van de heliopauze, op 5 november 2018, een veel beter beeld van dit overgangsgebied kon geven.
Voor het eerst zagen wetenschappers dat wanneer een object de heliopauze op een afstand van 225 miljoen kilometer nadert, de snelheid van de omringende plasmawind afneemt en het plasma zelf een grotere dichtheid krijgt. Aan de andere kant van deze grens blijkt het interstellaire medium een ‘kinetische temperatuur’ van tenminste 30.000 graden Celsius te hebben, veel heter dan werd verwacht.
Bovendien bevestigde Voyager 2 dat de heliopauze nogal poreus is – en in beide richtingen lekt. Voordat Voyager 1 de heliopauze passeerde, vloog de sonde door flarden van interstellaire deeltjes die in de heliopauze doordrongen, als boomwortels in rotsen. Maar Voyager 2 mat een gestage stroom van geladen deeltjes die zich meer dan 150 miljoen kilometer voorbij de heliopauze uitstrekt.
Een ander mysterie dook op toen Voyager 1 de heliopauze tot op zo’n 1,2 miljard kilometer was genaderd en in een gebied van ‘stilstaand water’ terechtkwam, waar de uitgaande zonnewind tot een amper waarneembare bries was afgezwakt. Maar toen Voyager 2 de heliopauze naderde, mat het vaartuig een heel andere schil, die vreemd genoeg bijna even dik was als het ‘stilstaande water’ waar Voyager 1 doorheen was gevlogen.
“Dat is heel erg vreemd,” zegt Koehn. “Het laat echt zien dat we meer gegevens nodig hebben.”
Interstellair vervolg?
Voor het oplossen van deze raadsels is een beter totaalbeeld van de heliosfeer nodig.Voyager 1heeft de boegzijde van de heliosfeer inmiddels verlaten en vliegt nu door de boeggolf waar het interstellaire medium op de heliosfeer botst, terwijl Voyager 2de heliosfeer aan de linkerflank heeft verlaten. We hebben geen gegevens over het ‘kielzog’ van de heliosfeer, dus blijft de algehele vorm van deze reusachtige zeepbel een mysterie. Door de druk van het interstellaire medium zou de heliosfeer ruwweg een bolvorm moeten hebben, maar het is ook mogelijk dat hij in een komeetachtige staart uitloopt of zelfs dat hij de vorm van een croissant heeft.
Hoewel andere ruimtevaartuigen op weg zijn naar de rand van het zonnestelsel, zullen ze geen gegevens vanuit de heliopauze kunnen doorzenden. De NASA-sonde New Horizons zoeft met een snelheid van 50.000 kilometer per uur richting de heliopauze, maar wanneer het vaartuig in 2030 zonder stroom komt te zitten zal het op een afstand van ruim anderhalf miljard kilometer van de uiterste rand van de heliosfeer definitief uitvallen. Daarom willen Voyager-wetenschappers en anderen dat er een nieuwe interstellaire sonde wordt gelanceerd. Het doel: een vijftig jaar durende missie waarbij meerdere generaties wetenschappers zouden samenwerken om de uiterste rand van het zonnestelsel en het nog nooit verkende gebied voorbij de heliopauze te onderzoeken.
“We hebben dus een enorme zeepbel waar we nog maar op twee punten zijn uitgevlogen,” zei Stamatios Krimigis, emeritus-decaan van het Applied Physics Laboratory van de Johns Hopkins University en een van de auteurs van de nieuwe studie, op de persconferentie. “Twee meetpunten zijn niet genoeg.”
Een nieuwe generatie wetenschappers staat te popelen om het stokje over te nemen, onder wie Rankin van Caltech, die daar – met Stone als mentor – promoveerde op de interstellaire gegevens van Voyager 1.
“Het was verbluffend om te kunnen werken met deze allernieuwste gegevens, afkomstig van een ruimtevaartuig dat werd gelanceerd toen ik nog niet was geboren en dat nog altijd geweldige wetenschap produceert,” zegt zij.
“Ik ben al die mensen die een groot deel van hun leven aan het Voyager-project hebben besteed, gewoon heel erg dankbaar.”
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
