Co i kiedy opuści Układ Słoneczny?

NASA pochwaliła się, że w listopadzie 2019 roku Voyager 2 formalnie przekroczył granicę Układu Słonecznego. Nie on pierwszy i nie ostatni.

Krótko. Jak dotąd granicę heliosfery przekroczyły obie sondy Voyager. W dalszej przyszłości dołączą do nich sondy Pioneer 10 oraz Pioneer 11, a także New Horizons.

Sir Terry Pratchett pisał kiedyś, że “grawitacja to nałóg, z którym trudno zerwać”. Trudno o trafniejsze spostrzeżenie. Kiedy rzucimy przed siebie kamień, ten zakreśli w powietrzu łuk, po czym opadnie ściągnięty ziemską siłą ciążenia. Im mocniej nim ciśniemy, tym dłużej będzie leciał nad ziemią. Mając tę wiedzę Sir Izaak Newton (zrobiło się arystokratycznie) wydedukował, że gdyby nadać kamieniowi znacznie większą energię, mógłby on zatoczyć koło wokół Kuli Ziemskiej i obiegać planetę po gustownej orbicie. Używając właściwego słownictwa powiemy, że taki kamień przekroczył pierwszą prędkość kosmiczną.

Idźmy dalej za tym rozumowaniem. Jeżeli zechcemy posłać jakieś ciało na Marsa lub inną obcą planetę, będziemy zmuszeni wystrzelić je z jeszcze większym impetem, tak, aby obiekt całkowicie wyrwał się z grawitacyjnej uwięzi. To druga prędkość kosmiczna, a jednocześnie (i bardziej wymownie) prędkość ucieczki. A co, gdybyśmy chcieli posłać coś poza Układ Słoneczny? Jak na pewno przeczuwacie, musimy wykorzystać jeszcze więcej energii, która pozwoli wystrzelonemu obiektowi wyślizgnąć się z grawitacyjnego uścisku naszej gwiazdy. Tej samej, która dysponuje masą trzystu tysięcy Ziem i trzyma w ryzach osiem planet, dziesiątki księżyców i bezlik kosmicznego gruzu. Innymi słowy musimy przekroczyć trzecią prędkość kosmiczną.

Chociaż epoka wojaży międzygwiezdnych jeszcze długo pozostanie tylko marzeniem, to od dawna potrafimy dać naszym pojazdom wystarczającego kopa, aby były w stanie osiągnąć trzecią prędkość kosmiczną. Pierwsi ziemscy posłańcy wystartowali w latach 70. ubiegłego stulecia. Były to kolejno sondy: Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 2 oraz Voyager 1 (nie, to nie pomyłka: “dwójka” ruszyła w drogę dwa tygodnie przed “jedynką”). Nie chcę Was zanudzać, więc ograniczę prezentację do minimum.

Pioneer 10 jako pierwszy przefrunął przez pas planetoid, dowodząc, że nie jest on tak gęsty i niebezpieczny jak niektórzy sądzili, jak również sfotografował system Jowisza. Prędkość 52 tys. km/h przy starcie, pozostawała rekordem aż do 2006 roku i Nowych Horyzontów. Ogniwa termoelektryczne pozwalały Pioneerowi na wysyłanie wartościowych sygnałów radiowych aż do 1997 roku. Obecnie znajduje się około 19 miliardów km od Słońca.

Pioneer 11 wystartował w rok po poprzedniku i obrał podobną drogę, kierując się ku Jowiszowi. Następnie sonda skorzystała z grawitacji olbrzyma, która pchnęła ją w kierunku Saturna. Niestety, misja ta okazała się bardziej energochłonna, w związku z czym do zerwania łączności doszło kilka lat wcześniej. Obecnie od Słońca dzieli ją dystans nieco ponad 15 miliardów km.

Voyager 2 odbył najciekawszą wędrówkę, mijając Jowisza, Saturna, a następnie również Urana i Neptuna. Za jej zasilanie odpowiada generator oparty o rozpad promieniotwórczy plutonu, wciąż działający, choć ze stale spadającą efektywnością. Zerwanie kontaktu czeka nas prawdopodobnie przed 2025 rokiem. Co ciekawe i tak mieliśmy mnóstwo szczęścia. Wskutek omyłki operatora już w niecały rok po starcie doszło do awaryjnego zaniknięcia łączności. Problem udało się naprawić po siedmiu dniach ściskającej trwogi. Aktualna odległość od Słońca wkrótce sięgnie 18,5 miliarda km.

Voyager 1 minął “tylko” dwie planety, jednak dokonał przy okazji pionierskich badań m.in. pierścienia Jowisza (tak, on też ma pierścień) oraz księżyca Saturna – Tytana. W 1998 roku przegonił sondy Pioneer i do chwili obecnej dzierży tytuł najodleglejszego urządzenia skonstruowanego przez ludzi. Korzysta z bliźniaczego zasilania do Voyagera 2, w związku z czym pozostało mu jeszcze kilka lat życia. Na tę chwilę, znajduje się w odległości prawie 22 miliardów km od Słońca.

Wszystkie cztery misje pochodzą z poprzedniej epoki i dedykowane były przede wszystkim badaniom gazowych olbrzymów. Oddalają się z niebagatelnymi prędkościami i bez względu na to czy mamy z nimi kontakt, czy nie, w dalekiej przyszłości miną obce gwiazdy. Gonić je będzie jeszcze jedna sonda NASA – bardziej współczesna, bo zainicjowana w 2006 roku. Mowa o New Horizons, która jakiś czas temu pozwoliła nam rzucić okiem na powierzchnię Plutona. W momencie wystrzelenia na pokładzie rakiety Atlas V, sonda przekroczyła prędkość 58 tys. km/h, co pozwoliło jej na pogrzebanie trzydziestoletniego rekordu szybkości Pioneera 10 i z nawiązką wystarczy do wyskoczenia poza Układ Słoneczny. Na razie Horyzonty znajdują się jakieś 6,5 miliarda km od Słońca, badając zmarznięte planetoidy Pasa Kuipera.

Sondy, które opuszczą Układ Słoneczny

Pozostaje nam jeszcze zasadnicze pytanie:

gdzie leży granica Układu Słonecznego?

Jak to zwykle bywa w takich przypadkach odpowiedź jest bardzo umowna i zależy od przyjętych kryteriów. Ktoś mógłby powiedzieć, że układ planetarny sięga tam gdzie orbita ostatniej planety. Jednak hen daleko poza aphelium Neptuna znajdziemy masę ciał niebieskich, którym trudno odmówić przynależności do naszego systemu. Mamy Plutonki, pas Kuipera, dysk rozproszony i w końcu najbardziej wierzchnią warstwę Układu Słonecznego – obłok Oorta-Öpika (nie zapominajmy o wybitnym Estończyku Ernście Öpiku!). Przybiera on formę kolosalnej bańki rozrzedzonych gazów, pyłów i okruchów skalnych, otulającej cały Układ. Nie wiemy o nim zbyt wiele, ale przypuszczalnie może wypełniać przestrzeń leżącą od 50 do setek miliardów kilometrów od Słońca.

Kiedy więc słyszycie medialne doniesienia o przekraczaniu granic Układu Słonecznego, miejcie na uwadze, że tak naprawdę nasze sondy wciąż znajdują się znacznie bliżej Słońca niż wiele naturalnie obiegających je obiektów (choćby Sedna). Pomyślcie również o tym, że nawet słynny Voyager 1 pokonał dopiero mniej niż połowę drogi prowadzącej do wewnętrznych warstw obłoku Oorta. Przy obecnej prędkości zacznie penetrować obłok za trzy stulecia, a opuści go całkowicie – zależnie od jego grubości – dopiero po kolejnych kilku, może kilkunastu tysiącach lat.

Jednak wbrew temu co napisałem, NASA już jakiś czas temu obwieściła wielką ucieczkę sond z serii Voyager. Niecierpliwi naukowcy postanowili nie czekać do przyszłego milenium i wyszli z inną, znacznie bliższą definicją granicy Systemu Solarnego. Zamiast zwracać uwagę na jakieś zimne kamienie z kosmicznych czeluści, skupili się na natężeniu wiatru słonecznego, czyli zjonizowanych cząstek miotanych we wszystkich kierunkach przez naszą gwiazdę.

Kluczowym pojęciem staje się tu heliosfera – obszar dominacji wiatru słonecznego nad promieniowaniem dochodzącym z wnętrza galaktyki. Jego wewnętrzna warstwa, zwana szokiem końcowym – gdzie cząstki o solarnym rodowodzie wyhamowują poniżej prędkości dźwięku – tworzy bąbel o brzegach oddalonych o 12 do 15 miliardów kilometrów od Słońca. Większe wątpliwości budzi krawędź zewnętrzna, określana mianem heliopauzy. Cała heliosfera znajduje się pod nieustannym naporem cząstek, smagana promieniowaniem dochodzącym z głębi galaktyki. Heliopauza, jako pierwsza linia obrony podlega poważnym odkształceniom. W najcieńszym miejscu niemal pokrywa się szokiem końcowym (~100 j.a.), podczas gdy rozwiany ogon rozpościera się na dystansie setek miliardów kilometrów. Zatem, żeby wypłynąć w przestrzeń międzygwiezdną musimy pokonać różny dystans, zależnie od obranego kursu.

Obłok Oorta

Właśnie przez te niejednoznaczności, wyznaczenie dokładnego momentu opuszczenia przez tę czy inną sondę Układu Słonecznego pozostaje tak dyskusyjne. Zachowując precyzję właściwą nauce, najbezpieczniej mówić o przekraczaniu konkretnych warstw heliosfery.

I tak też Voyager 1 minął szok końcowy (wiem, brzmi dziwacznie) w roku 2004, zaś heliopauzę latem 2012. Voyager 2 przekroczył szok końcowy już w roku 2007, a od końca 2018 roku zdaje się opuszczać heliosferę, co potwierdziły świeżo nadesłane dane. Z kolei sondy Pioneer (sądząc po przebytej odległości, bo nie mamy z nimi kontaktu), prawdopodobnie sforsowały szok końcowy, lecz nadal nie uciekły z heliosfery. Warty uwagi jest tu przypadek Pioneera 10. Znajduje się on aktualnie dalej od Słońca niż Voyager 2, jednak ucieka w przeciwnym kierunku – mknąc przez wydłużony ogon heliosfery. Możemy przypuszczać, że osiągnięcie heliopauzy zajmie mu setki, jeśli nie tysiące lat.

Sonda New Horizons przemierza drogę podobną do Voyagera 2 i jeśli nic nie stanie jej na przeszkodzie, wyskoczy poza heliosferę pod koniec lat 30. obecnego stulecia.

Co wybuchło nad Tunguzką? Popołudnie z Rosettą – trzymamy kciuki na żywo! 5 rzeczy, które powinieneś wiedzieć o misji Mars 2020